Климент Тимирязев родился 3 июня 1843 года в городе Санкт-Петербург. Первоначальное образование получил дома. В 1866 году окончил с отличием естественный факультет Санкт-Петербургского государственного университета. В формировании мировоззрения Тимирязева большую роль сыграли философские взгляды А. Герцена, Н. Чернышевского, труды Д. Менделеева, И. Сеченова и особенно Ч. Дарвина.

В студенческие годы Тимирязев опубликовал ряд статей на социально-политические темы и по дарвинизму, в том числе: «Гарибальди на Капрере», «Голод в Ланкашире», «Книга Дарвина, ее критики и комментаторы». Тогда же написал первую популярную книгу с изложением учения Дарвина «Чарльз Дарвин и его учение»; его книга «Жизнь растений» переиздавалась более 20 раз и вызвала огромный интерес и в России, и за рубежом.

В 1868 году, для подготовки к профессорскому званию командирован за границу, где работал в лабораториях крупных физиков, химиков, физиологов, ботаников. Вернувшись в Россию, Тимирязев защитил магистерскую диссертацию и занял должность профессора Петровской сельскохозяйственной академии в городе Москва, где читал лекции по всем отделам ботаники. Одновременно преподавал в Московском государственном университете на кафедре анатомии и физиологии растений, на женских «коллективных курсах». Возглавлял ботаническое отделение Общества любителей естествознания при ВУЗе. 

    Климент Аркадьевич стал одним из основоположников русской школы физиологии растений, изучив процесс фотосинтеза, для чего разработал специальные методики и аппаратура. В физиологии растений, наряду с агрохимией, ученый видел основу рационального земледелия. Профессор первый ввел в России опыты с культурой растений в искусственных почвах; устроил первую теплицу для этой цели в Петровской академии в начале 1870-х годов. 

    В 1920 году вышел в свет сборник его статей «Наука и демократия». Последние 10 лет своей жизни из-за болезни не мог уже преподавать, но продолжал заниматься литературно-публицистической деятельностью, участвовал в работе Народного комиссариата просвещения России и Социалистической академии общественных наук. Избирался Депутатом Московского городского совета.

    Тимирязев входил в состав Лондонского королевского общества. Являлся Почетным доктором университетов в городах Глазго, Кембридж и Женева; членом-корреспондентом Российской Академии наук и Эдинбургского ботанического общества, также Почетным членом многих иностранных и отечественных университетов и научных обществ. Автор многочисленных статей, книг, биографических очерков.

    Климент Аркадьевич Тимирязев скончался 28 апреля 1920 года в городе Москва. Похоронен на Ваганьковском кладбище.

В честь ученого названы: поселок в Липецкой и Ульяновской областях; Лунный кратер; теплоход «Академик Тимирязев»; Московская сельскохозяйственная академия, Институт физиологии растений РАН, Государственный биологический музей, библиотека в городе Санкт-Петербург, Винницкая областная универсальная научная библиотека в Украине, Центральная станция юных натуралистов и станция Московского метро. 

Тимирязеву посвящен фильм «Депутат Балтики». За лучшие работы по физиологии растений присуждают премию РАН имени ученого. В Музее землеведения Московского государственного университета ему установлен бюст.