Сергій Тимошенко народився в с. Базилівка (нині – Конотопський р-н). Після закінчення реальної гімназії в місті Ромни Полтавської губернії Сергій Тимошенко навчався в Інституті цивільних інженерів у Петербурзі. Як студент Інституту цивільних інженерів у Петербурзі був діячем Української Студентської Громади і членом Північного комітету РУД (згодом УСДРП). Під час демонстрацій двічі (у 1902 і важче в 1905 році) отримав поранення й через погіршення стану здоров’я був звільнений із постійної військової служби.
По закінченні інституту працював за фахом у Ковелі, Києві (будинки Юркевича та Лаврентієва в українському стилі), Харкові (також будинки в українському стилі Попова, Бойка, проекти міст-садів), Лубни (каплиця-усипальниця Шеметів, Михайла Казиміровича його дружини і дочки).
З початком революції 1917 — губернський комісар Харківщини і член Центральної Ради. Уповноважений українського уряду на переговорах з урядом Війська Донського для координування спільних антибільшовицьких військових операцій.
У подальші роки:
1922—1923 запроектував церкви у передмістях Львова Клепарові та Левандівці, монастир Студитів у селі Зарваниці та ін.);
1924—1929 професор Української Господарчої Академії в Подєбрадах і Української студії пластичного мистецтва в Празі;
1927—1928 обіймав посаду ректора Подебрадської академії, наступного року очолював кафедру водно-санітарної техніки.
Храм Успення Пресвятої Богородиці (Борислав). Розпочато будівництво у червні 1928 року, завершено у листопаді 1929 року, а решта робіт було закінчено в 1931 році. Будувався за і під керівництвом пароха (керівника церкви) Івана Ліщинського, на кошти місцевих жителів та власників копалень нафти у м. Бориславі. Архітектори: Сергій Тимошенко, Олександр Пежанський. Будував церкву інженер Лев Шелевич.
Церква святого Андрія (Львів, Клепарів). Будівництво за проектом Сергія Тимошенка[3] розпочато 1926 року і тривало до 1932.
1930—1939 у Луцьку — головний архітектор для сільськогосподарського будівництва на Волині (серед іншого — проекти зразкових хуторів), автор близько двох десятків житлових будинків у стилі модернізму в Луцьку, діяч Волинського Українського об’єднання (з 1935 його голова і посол до польського сойму, 1938 — 39 — до Сенату) і Української Православної Церкви (між іншим — перший голова Товариства ім. Петра Могили).
Був активним поборником ідеї українізації Православної церкви в Польщі. У 1931 він став головою Ради Луцького Чесно-хресного братства, очолив Товариство прихильників православної освіти й охорони традицій православної віри імені митрополита Петра Могили. Установчі збори товариства імені П. Могили відбулися в приміщенні Українського клубу «Рідна Хата» в Луцьку 19 листопада 1931 року. Тут працювали протоієрей отець Павло Пащевський, Іван Власовський, Михайло Тележинський. Осередки товариства утворені в Рівному, у Кременці, Новогрудську, Сарнах, Острозі, Здолбунові, Володимирі, Дубно, з лютого 1935 працювала Богословська секція, діячі якої готували та видавали релігійну літературу українською мовою. Товариство імені митрополита П. Могили видало чотири числа журналу «За соборність», після його заборони польською владою в 1935 — часопис «Церква і Нарід» (1935—1939). Брав участь у роботі Волинського Українського об’єднання, був одним із його керівників[4]. Разом з ним там працювали Петро Певний, Євген Богуславський, Мартин Волков, Олександр Ковалевський, Степан Скрипник.
У січні 1935 р. Сергій Тимошенко — делегат Волинського єпархіального зібрання духовенства і мирян як представник від Товариства імені митрополита Петра Могили. Від 1937 року входив до комісії зі створення Регіонального плану забудови Волині.[5]
1935 року обраний послом до польського Сейму, у 1938 став сенатором Польської Республіки.
17 жовтня 1933 року в Луцьку представники українських організацій Волині утворили Волинський громадський комітет допомоги голодуючим у Радянській Україні (ВГКДГУ). Очолив комітет сенатор Микола Маслов, заступниками стали інженер Сергій Тимошенко та професор Іван Власовський.
З 1940 р. проживав у різних куточках світу:
– 1940-41 — у Любліні;
– 1941-1943 — у Луцьку, згодом — у Німеччині;
– жив у місті Пало-Альто;
– з 1946 — у США, де й помер.
З численних проектів, які створив Сергій Тимошенко здійснено близько 400 будов. Прагнучи відродження українського стилю, він базувався на спадщині українського мистецтва, зокрема на мурованій архітектурі українського бароко. Серед його творів у стилі українського архітектурного модерну, зокрема, такі як будинки станцій Албаши, Ведмідівка та інші.
У Подебрадах вийшла друком його праця «Будівельні матеріали, їх властивості, досліди та виготовлення».