Свое название улица получила 23 января 1964 года в память русского естествоиспытателя, физиолога — основоположника русской и британской научных школ физиологов растений, Климента Аркадьевича Тимирязева (22 мая (3 июня) 1843, Петербург — 28 апреля 1920, Москва). Ранее в разное время улица называлась Новое Петровско-Разумовское шоссе и Новое шоссе, названное так в отличие от Старого шоссе (ныне — улица Вучетича).

Официально улица возникла в 1760-е гг., называлась Ивановская дорога. Она была ориентирована на колокольню Ивана Великого в Кремле, начиналась от современного главного здания Тимирязевской академии и доходила до современного перекрестка с Красностуденческим проездом и улицей Вучетича (Старое шоссе). Далее по Старому шоссе можно было попасть в Москву. Часть шоссе сохранилась до наших дней — это брусчатка в конце улицы Вучетича на территории Тимирязевского парка.

Считается, что снимок в заглавии поста был сделан в 1881 году самим Климентом Аркадьевичем Тимирязевым, в честь которого названа улица. Справа видно дом, в котором жил ученый.

В 1860-е годы, когда в пригородной усадьбе Петровско-Разумовское создавалась Петровская лесная и земледельческая академия (ныне — Российский государственный аграрный университет — МСХА им. К. А. Тимирязева), ее продлили до Башиловской улицы.  Для этого дорогу специально прорубили в лесу.

Старый участок дороги получил название Академической улицы (1866–1894гг.), участок от Башиловской улицы до современного перекрестка с Красностуденческим проездом и улицей Вучетича назвали Новым Петровско-Разумовским шоссе, в просторечии Новым шоссе (1861–1865 гг.).

В 1894 г. на Академической улице высадили дубы, и она стала называться Дубовая. Однако на многих городских картах и планах ее именовали и Новым шоссе, и Академической улицей, и даже Ивановским шоссе.

В 1932 году Дубовую переименовали в память об ученом К.А. Тимирязеве в Тимирязевскую улицу. И только в 1964 году ей было присвоено общее название Тимирязевская улица. Память о старом наименовании Дубовой улицы сохранилась в посадках дубов, и в том, что с введением в Москве нумерации в 1908 году, все учебные корпуса МСХА имени К. А. Тимирязева, расположенные по улице и ныне именуют по старым номерам: дом № 45 — 6-м корпусом, № 47 — 8-м корпусом, № 49 — 10-м корпусом (по архивным материалам музея истории МСХА). Также недалеко от улицы находится небольшой парк «Дубки».

По другим источникам часть Нового шоссе, проходящего вдоль зданий Сельскохозяйственной академии имени К. А. Тимирязева назвали Тимирязевской улицей еще в 1932 году.

В 1863—1865 годах построено главное здание академии. Первоначально улица представляла собой загородное шоссе. В 1880-е годы по обеим сторонам его возникают дачи. В 1874 году вдоль шоссе проложена железнодорожная линия, по которой ходил небольшой паровоз с несколькими вагонами. В 1917 году шоссе на всём своём протяжении вошло в черту Москвы. В 1922 году паровая линия заменена на трамвайную.

С приходом советской власти улицу начали активно перестраивать. Сравните фото выше (1915 г.) с тем, что представлено ниже (1934–1935 гг.).

Многоэтажное строительство на улице началось в середине 1950-х годов. При этом участки улицы в районе пересечения с Астрадамским проездом в 1955 году имели вот такой вид.

Основная часть домов здесь была построена в конце 50-х — начале 60-х годов прошлого века.

В середине улицы с западной стороны к ней примыкает Парк Сельскохозяйственной академии имени К. А. Тимирязева, а с восточной — опытные посадки, в том числе тепличные.