Родился в Москве в 1900 году. Отец — Владимир Викторович Тимофеев-Рясовский (1850—1913), инженер путей сообщения. Мать — Надежда Николаевна, урождённая Всеволожская (1868—1928). Род Тимофеевых-Рясовских по одной линии восходит к петровским дворянам «8-го класса» Тимофеевым, по другой линии — Рясовских (Ресовских) — происходит из духовенства. Когда именно и по каким причинам произошла замена «я» на «е» в написании фамилии неизвестно, но Н. В. Тимофеев-Ресовский был первым членом рода с таким написанием фамилии.
В годы Гражданской войны учился нерегулярно, поскольку воевал в составе Красной армии, болел тифом.
С начала 1920-х годов участвовал в работе неформального семинара, организованного группой С. С. Четверикова в институте Н. К. Кольцова («Дрозсоор», или «совместное орание по поводу дрозофилы»), из которого вышли многие советские генетики.
Через год работы в генетической лаборатории Института экспериментальной биологии, изучая механизмы проявления генов, Николай Владимирович пришёл к выводу, что единичная мутация может вызывать множественные изменения во внешнем облике организма.
Результатом этого явилось впервые введённое им в радиобиологии понятие «радиобиологический парадокс», обозначающее несоответствие между ничтожным количеством поглощённой энергии ионизирующего излучения и крайней степенью реакции биологического объекта.
Одновременно с введением этого понятия в 1920—1930-х годах Тимофеев-Ресовский предложил защищать врачей-рентгенологов свинцовыми фартуками.
В 1925 году был рекомендован Н. К. Кольцовым и Н. А. Семашко для работы в созданной Оскаром Фогтом лаборатории исследования мозга при Нейробиологическом институте (нем.)русск. в Берлине.
В 1925 году по приглашению германского Общества кайзера Вильгельма и настоянию наркома Семашко Тимофеев-Ресовский с супругой переехал на работу в Берлин. Вначале он работал научным сотрудником, но вскоре стал руководителем отдела генетики и биофизики в Институте исследований мозга в пригороде Берлина — Бухе.
В 1930-х годах совместно с будущим лауреатом Нобелевской премии Максом Дельбрюком Тимофеев-Ресовский, развивая идеи своего учителя Кольцова, создал первую биофизическую модель структуры гена и предлагал возможные способы его изменения.
В 1934 году он впервые высказал идею, что ионизирующее излучение не только порождает лучевую болезнь, но и вызывает невидимые изменения наследственного аппарата, которые могут проявиться у отдалённого потомства.
В конце 1930-х годов он принимал участие в семинарах группы Нильса Бора и, совместно с Б. С. Эфрусси (при поддержке Рокфеллеровского фонда), собрал небольшой международный семинар физиков, химиков, цитологов, генетиков, биологов и математиков, занимавшихся обсуждением фундаментальных проблем генетики и теоретической биологии. Позже неформальные школы по генетике проходили везде, где он работал.
Весной 1937 года советское консульство отказалось в очередной раз продлевать Тимофеевым-Ресовским паспорта — тем самым настоятельно предлагая им вернуться в СССР. Однако, по словам Тимофеева-Ресовского, Н. К. Кольцов предупредил его, что по возвращении их скорее всего ждут «большие неприятности». А Г. Мёллер передал ему из СССР записку от Н. И. Вавилова, что там его ждёт тюрьма или что-то похуже. В 1930-х годах из четверых братьев Тимофеева-Ресовского трое были арестованы. В 1934 году был арестован Борис, причина и дата его смерти неизвестны, 1 мая 1937 был арестован Владимир, расстрелян 28 февраля 1938 года, тогда же в 1937 году был арестован Виктор, до 1939 года он находился в ссылке. Тимофеев-Ресовский отказался вернуться в Советский Союз и продолжал жить и работать в гитлеровской Германии, за что после Второй мировой войны он был осуждён в СССР за измену Родине как невозвращенец.
Научно-исследовательская деятельность Тимофеева-Ресовского в предвоенной Германии внесла фундаментальный вклад в создание радиобиологии и радиоэкологии. Здесь он открыл и обосновал фундаментальные положения современной генетики развития и популяционной генетики. Он также принял участие в создании основ современной радиационной генетики.
Во время Второй мировой войны сын Тимофеева-Ресовского Дмитрий стал членом подпольной антинацистской организации под названием «Берлинский комитет ВКП(б)», созданной Н. С. Бушмановым. Дмитрий был арестован гестапо и погиб в концлагере. Сам Николай Тимофеев-Ресовский выдавал различные справки «остарбайтерам», бежавшим с фабрик.
Весной 1945 года Тимофеев-Ресовский отказался от предложения перевести свой отдел на запад Германии и сохранил весь коллектив и оборудование до прихода советских войск. В апреле 1945 года советская военная администрация назначила его директором Института исследований мозга в Бухе (после бегства весной 1945 года прежнего директора профессора Шпатца).
13 сентября 1945 года Тимофеев-Ресовский был задержан опергруппой НКВД города Берлина, этапирован в Москву и помещён во внутреннюю тюрьму НКГБ.
4 июля 1946 года Военная коллегия Верховного суда РСФСР приговорила его к 10 годам лишения свободы по обвинению в измене Родине.
Он отбывал срок в Самарковском отделении Карлага[15]. Но в 1947 году в связи с советскими работами по созданию атомной бомбы как специалиста по радиационной генетике Тимофеева-Ресовского перевели из лагеря на «Объект 0211» в Челябинской области (теперь — город Снежинск) для работы по проблемам радиационной безопасности (сам учёный к этому времени был при смерти от голода). С 1947 года заведовал биофизическим отделом «Объекта 0211», в 1951 году был освобождён из заключения, а в 1955 году с него была снята судимость. В 1955 году подписал «Письмо трёхсот».
В начале 1950-х учёного выдвинули на Нобелевскую премию за исследования мутаций, но советские власти не ответили на запрос Швеции о том, жив ли он.[17]
В 1955—1964 годах заведовал отделом биофизики в Институте биологии УФ АН СССР в Свердловске. Одновременно читал несколько циклов лекций по влиянию радиации на организмы и по радиобиологии на физическом факультете Уральского университета и работал на биостанции, основанной им на озере Большое Миассо́во в Ильменском заповеднике.
В декабре 1957 года первый раз защищает докторскую диссертацию в Ботаническом институте АН СССР в Ленинграде, однако она не была утверждена ВАК. В 1963 году второй раз защищает докторскую диссертацию по совокупности работ в Свердловске, докторский диплом получен в 1964 году после смещения Хрущёва и реабилитации генетики.
В 1964—1969 годах заведовал отделом радиобиологии и генетики в Институте медицинской радиологии АМН СССР в Обнинске (Калужская область).
С 1969 года работал консультантом в Институте медико-биологических проблем в Москве.
Николай Владимирович Тимофеев-Ресовский скончался в 1981 году, похоронен на Кончаловском кладбище Обнинска.
В 1987 году после публикации романа Даниила Гранина младший сын Тимофеева-Ресовского Андрей и представители научной общественности потребовали реабилитации выдающегося учёного-генетика. Но Главная военная прокуратура после проведения дополнительного расследования вместо реабилитации учёного выдвинула новое обвинение, не вменявшееся ему ни следствием, ни Военной коллегией в 1946 году, — переход на сторону врага — и в июле 1989 года вынесла постановление о прекращении производства в связи с отсутствием оснований для реабилитации Тимофеева-Ресовского. В постановлении утверждалось, что Тимофеев-Ресовский лично сам и совместно с сотрудниками активно занимался исследованиями, связанными с совершенствованием военной мощи фашистской Германии, чем совершил измену Родине в форме перехода на сторону врага.
4 февраля 1991 года Прокуратура СССР отменила это постановление Главной военной прокуратуры на том основании, что вывод о проведении Тимофеевым-Ресовским научных исследований, имеющих военное значение, недостаточно аргументирован, и поручила Следственному управлению КГБ СССР провести ещё одно дополнительное расследование. Как следует из справки Следственного управления КГБ от 16 октября 1991 года, по его результатам «дополнительных сведений в отношении инкриминируемого Тимофееву-Ресовскому состава преступления получено не было».
16 октября 1991 года Генеральным прокурором СССР был внесён по делу протест в Пленум Верховного Суда СССР на предмет прекращения дела за отсутствием в действиях Тимофеева-Ресовского состава преступления. Однако протест не был рассмотрен в связи с ликвидацией Верховного Суда СССР. Тимофеев-Ресовский был реабилитирован лишь в июне 1992 года Верховным судом Р