Родился 18 февраля 1895 года в селе Фурманка (ныне – Фурмановка), Килийского района Одесской области. Супруга – Анастасия Михайловна. Сын – Константин Семенович, дочери – Екатерина Семеновна и Ольга Семеновна.

В 1914 году призван в царскую армию. В Первой мировой войне принимал участие рядовым пулеметчиком на Западном фронте. В 1917 году в составе 1-го Черноморского красногвардейского отряда участвовал в ликвидации корниловщины.

В 1918 году сражался в Крыму и на Кубани в составе 1-го конногвардейского полка, созданного на базе Черноморского отряда. Командовал взводом, эскадроном, вскоре стал командиром полка.

В ноябре 1918 года С. К. Тимошенко принял 2-ю отдельную кавалерийскую бригаду. Спустя год он стал командиром 6-й кавалерийской дивизии, вошедшей в состав 1-й Конной армии С. М. Буденного. Дивизия отличилась в боях под Воронежем, Касторной, Ростовом-на-Дону, Егорлыкской, Житомиром и Бродами.

В августе 1920 года С. К. Тимошенко вступает в командование 4-й кавалерийской дивизией. Она нанесла весьма серьезный урон войскам Врангеля и банде Махно. За мужество и героизм в сражениях Гражданской войны С. К. Тимошенко награжден двумя орденами Красного Знамени. Вскоре Семену Константиновичу доверили командовать 3-м кавалерийским корпусом. В 1922 и в 1927 годах окончил высшие академические курсы, в 1930 году – курсы единоначальников при Военно-политической академии. В 1933 году С. К. Тимошенко получил назначение на должность заместителя командующего войсками Белорусского военного округа. В ту пору им командовал талантливый военачальник И. П. Уборевич. Два героя Гражданской войны вместе успешно провели учения в районе Слуцка и других гарнизонов с целью повышения боевой готовности войск. В те годы С. К. Тимошенко сблизился с Г. К. Жуковым. Эти отношения они пронесли сквозь многие годы и испытания.

В сентябре 1935 года С. К. Тимошенко получает новое назначение – заместителем командующего войсками Киевского военного округа. Через два года новая должность – командующего войсками Северо-Кавказского военного округа. Спустя четыре месяца С. К. Тимошенко принял Харьковский военный округ, в феврале 1938 года – Киевский Особый военный округ.

В сентябре 1939 года под его командованием армии Киевского ОВО, объединенные в Украинский фронт, совершили исторический поход в Западную Украину.

За выдающиеся заслуги в руководстве войсками и решительные действия в ходе войны с Финляндией Семену Константиновичу Тимошенко было присвоено звание Героя Советского Союза.

В мае 1940 года Маршал Советского Союза С. К. Тимошенко становится наркомом обороны СССР. 

Во время Великой Отечественной войны он становится председателем Ставки Главного Командования. Но 8 августа 1941 года Верховным Главнокомандующим назначается И. В. Сталин, возглавивший Ставку Верховного Главнокомандования. Это вызвало перестановку в Наркомате обороны. С. К. Тимошенко был назначен заместителем наркома обороны и вошел в состав Ставки Верховного Главнокомандования.

В июле 1941 года Маршал Советского Союза С. К. Тимошенко назначается Главнокомандующим Западным направлением.

С сентября 1941 по июнь 1942 года С. К. Тимошенко – главком Юго-Западным направлением.

Под его руководством было подготовлено и осуществлено контрнаступление советских войск под Ростовом-на-Дону в 1941 году.

12 июля 1942 года создается Сталинградский фронт. Командующим этим фронтом назначается С. К. Тимошенко. 

В октябре 1942 года С. К. Тимошенко вступает в командование Северо-Западным фронтом. В труднейших условиях войска этого фронта ликвидировали Демянский плацдарм противника и вышли на реку Ловать. А с марта до июня 1943 года маршал Тимошенко уже в качестве представителя Ставки осуществлял координацию действий Ленинградского и Волховского фронтов, в июне–ноябре 1943 года – Северо-Кавказского фронта и Черноморского флота.

После окончания Великой Отечественной войны Маршал Советского Союза С. К. Тимошенко менее года командовал войсками Барановичского военного округа. С 1946 по 1949 год он возглавлял Южно-Уральский военный округ, образованный еще в ноябре 1941 года. Семен Константинович считал своим родным Белорусский военный округ. Приняв этот округ в 1949 году, он руководил им 11 лет. Под его руководством здесь проводились многие учения войск, командно-штабные игры, полевые занятия в условиях применения атомного оружия.

Как член ЦК КПСС и депутат Верховного Совета СССР он оказывал реальную помощь Белоруссии в решении многих экономических задач.

Маршалы не уходят в отставку. В апреле 1960 года Семен Константинович в возрасте 65 лет зачислен в Группу генеральных инспекторов. С. К. Тимошенко активно участвовал в работе по изучению и обобщению опыта Второй мировой и Великой Отечественной войн, рецензировании военно-теоретических и военно-исторических трудов, чем значительно способствовал разработке вопросов военной теории.

Восемь лет – с 1961 по 1969 год – С. К. Тимошенко возглавлял Советский комитет ветеранов войны. За это время им было немало сделано для улучшения материально-бытовых условий жизни участников и инвалидов войны, семей погибших воинов. Он внес свой вклад в разрядку напряженности, сотрудничество и дружбу народов, выступал против пропаганды войны, гонки вооружений, организации военных агрессивных и реваншистских союзов и блоков. Выступая в печати и на военных конференциях, он решительно разоблачал фальсификаторов истории Второй мировой войны.

За большие успехи на фронтах и мужество, проявленное в боях и сражениях, за вклад в укрепление советских Вооруженных Сил С. К. Тимошенко дважды удостоен звания Героя Советского Союза, награжден орденом «Победа», пятью орденами Ленина, орденом Октябрьской Революции, пятью орденами Красного Знамени, тремя орденами Суворова I степени, почетным оружием, многими медалями СССР, а также иностранными орденами.

Умер С. К. Тимошенко 31 марта 1970 года в возрасте 75 лет. Похоронен на Красной площади у Кремлевской стены.