Как и многие дети из дворянских семей той поры, Климент с раннего возраста проходил разностороннее домашнее обучение. Под влиянием прогрессивно настроенного отца мальчик с детских лет впитал в себя либеральные республиканские взгляды.
С 1860 года Тимирязев К. А. поступил учиться в Петербургский университет на камеральный (юридический) факультет, но затем перешел на другой факультет – физико-математический на естественное отделение. В 1861 году за участие в студенческих волнениях и отказ от сотрудничества с органами он был исключен из университета. Ему было позволено продолжать обучение в университете в роли вольнослушателя только через год. В качестве студена он уже опубликовал ряд статей по дарвинизму, а также на социально-политические темы. В 1866 году Тимирязев успешно окончил обучение со степенью кандидата и золотой медалью за работу «О печеночных мхах», которая так и не была напечатана.
Свою научную деятельность Тимирязев начал под руководством широко известного русского ботаника А. Н. Бекетова. Первый настоящий научный труд К. А. Тимирязева «Прибор для исследования разложения углекислоты» был опубликован в 1868 году. В том же году молодой ученый отправился за границу, чтобы расширить свои знания и опыт, а также и подготовиться к профессуре. Его учителями и наставниками были в том числе: Гофмейстер, Бунзен, Кирхгоф, Бертло, Гельмгольц и Клод Бернар. На формирование мировоззрения К. А. Тимирязева оказал влияние революционно-демократический подъем в России, а на развитие его научного мышления целая плеяда естествоиспытателей, среди которых были Д. И. Менделеев, И. М. Сеченов, И. И. Мечников, А. М. Бутлеров, Л. С. Ценковский, А. Г. Столетов, братья Ковалевские и Бекетовы. К. А. Тимирязев испытал сильное влияние от работ таких великих русских революционных демократов как В. Г. Белинский, А. И. Герцен, Н. Г. Чернышевский, Д. И. Писарев и Н. А. Добролюбов, которые интересовались естествознанием и использовали научные достижения, чтобы обосновать материалистические взгляды на естественную природу. Огромное влияние на талантливого ученого оказало эволюционное учение Ч. Дарвина. Тимирязев одним из первых среди российских ученых познакомился с «Капиталом» Карла Маркс и проникся новыми идеями.
По возвращению на родину в 1871 году Тимирязев К. А. успешно защитил диссертацию «Спектральный анализ хлорофилла» на степень магистра и стал профессором Петровской земледельческой и лесной академии в Москве (в настоящее время она называется Московской сельскохозяйственной академией им. К. А. Тимирязева). До 1892 году Тимирязев читал там лекции по ботанике в полном объеме. При этом ученый вел активную и насыщенную событиями деятельность. В 1875 году Тимирязев стал доктором ботаники за труд «Об усвоении света растением». С 1877 года стал работать на кафедре анатомии и физиологии растений в Московском университете. Помимо этого, он регулярно читал лекции на московских женских коллективных курсах. Являлся председателем ботанического отделения Общества любителей естествознания, который работал в ту пору при Московском университете.
Стоит отметить, что с самого начала писательской деятельности научные работу Тимирязева отличались строгой последовательностью и единством плана, изяществом экспериментальной техники и точностью методов. Многие вопросы, намеченные в первых научных трудах Тимирязева, в более поздних работах были расширенны и дополнены. Например, по вопросам разложения углекислого газа зелеными растениями при помощи солнечной энергии, изучения хлорофилла и его генезиса. Впервые в России Тимирязев ввел опыты с растениями на искусственных почвах, для чего в 1872 году в Петровской академии он построил вегетационный домик для культуры растений в сосудах (первую научно оснащенную теплицу), буквально сразу после появления подобных сооружений в Германии. Чуть позже аналогичную теплицу Тимирязев установил в Нижнем Новгороде на Всероссийской выставке.
Благодаря выдающимся научным заслугам в области ботаники Тимирязева удостоили целого ряда звучных званий: члена-корреспондента Петербургской Академии наук с 1890 года, почетного члена Харьковского университета, почетного члена Санкт-Петербургского университета, почетного члена Вольноэкономического общества, а также многих других научных сообществ и организаций.
В научной среде Тимирязев слыл популяризатором естествознания и дарвинизма. Он всю жизнь посвятил борьбе за свободу науки и резко выступал против попыток превратить науку в опору самодержавия и религии. За это постоянно был на подозрении у полиции и чувствовал определенное давление. В 1892 году Петровская сельскохозяйственная академия была закрыта по причине неблагонадежности ее преподавательского состава и студентов, а Тимирязева исключили из штата. В 1898 году его за выслугу лет (30 лет стажа преподавания) уволили из штата Московского университета, в 1902 году Тимирязев заканчивает чтение лекций и остается заведующим ботанического кабинета. В 1911 году он в составе группы других преподавателей покидает университет в знак несогласия с нарушением автономии университета. Только в 1917 году его восстановили в звании профессора Московского университета, но продолжать работу он уже не мог из-за болезни.
Научно-популярные лекции и статьи Тимирязева отличались строгой научностью, ясностью изложения и отточенным стилем. Сборники «Публичные лекции и речи» (1888 год), «Некоторые основные задачи современного естествознания» (1895 год), «Земледелие и физиология растений» (1893 год) и «Чарлз Дарвин и его учение» (1898 год) были популярны не только в научной среде, а вышли далеко за ее пределы. «Жизнь растений» (1898 год) стала образцом доступного для любого человека курса о физиологии растений и была переведена на иностранные языки.
Тимирязев К. А. известен во всем мире. За свои заслуги на поприще науки он был избран членом Лондонского королевского общества, Эдинбургского и Манчестерского ботанических обществ, а также почетным доктором ряда европейских университетов – в Кембридже, Глазго, Женеве.
Тимирязев К. А. всегда был патриотом родины и был рад свершению Великой Социалистической революции. Ученый до последних дней принимал участие в работе государственного ученого совета Народного комиссариата просвещения РСФСР. Активно продолжал научно-литературную работу. В 1920 году ночью с 27 на 28 апреля всемирно известный ученый скончался и был похоронен на Ваганьковском кладбище. В Москве создан мемориальный музей-квартира Тимирязева и сооружен памятник. Имя Тимирязева присвоено Московской сельскохозяйственной академии и Институту физиологии растений АН СССР. В честь ученого назван район Москвы и улицы в разных городах России.
