Николай учился сначала в 1-й Киевской гимназии, а затем в известной московской гимназии А.Е. Флёрова, находившейся в Мерзляковском переулке. Гимназия отличалась высоким уровнем обучения и хорошим составом учеников, пользовалась популярностью в среде московской интеллигенции. Здесь Тимофеев-Ресовский учился у замечательного преподавателя Сергея Ивановича Огнёва, который со временем стал выдающимся зоологом-териологом (то есть специалистом по млекопитающим; он же и ввел в науку сам термин «териология»). С 1916 года молодой Тимофеев-Ресовский посещал лекции в Московском народном университете им. А.Л. Шанявского, прославленном учебном заведении, известным своей демократичностью и великолепным подбором профессорского состава. Затем проходил курс в Московском университете. Студенчество пришлось на годы революции и Гражданской войны.

Недолго, в 1918–1919 годах, Тимофеев-Ресовский служил в РККА, воюя против Вооруженных сил Юга России под командованием генерала А.И. Деникина. диплома об окончании университета он так или не получил: в те годы это не считалось чем-то предосудительным, имевшим влияние на последующую карьеру ученого. С начала 1920-х годов он работал преподавателем в разных учебных заведениях Москвы. Одновременно началась и его научно-исследовательская деятельность.

Огромное влияние на Тимофеева-Ресовского оказала личность его университетского учителя
Н.К. Кольцова, одного из основателей генетики в России, создавшего научную школу биологов самых разных специальностей. Кольцов еще в 1917 году организовал в Москве уникальный Институт экспериментальной биологии, который объединил исследования, находившиеся на самом передовом крае биологической науки, в том числе и генетику. Поэтому неудивительно, что первая половина 1920-х годов для Тимофеева-Ресовского была связана как раз с кольцовским институтом и с отделом, который возглавлял другой выдающийся генетик С.С.Четвериков [см. очерк, посвященный Ф.Г. Добржанскому. — Прим. авт.]. Николай Владимирович вместе со своей женой Еленой Александровной, урожденной Фидлер, стали одними из последователей Четверикова, яркими представителями его школы. Идеи своего учителя Тимофеев-Ресовский старался впоследствии пропагандировать в Европе, где волею судеб оказался в предвоенные годы. Работая с плодовой мушкой дрозофилой, молодой ученый сделал важное научное открытие, установив, что единичные мутации могут вызывать множественные изменения во внешнем облике организма. Его исследования в области генетики тех лет впоследствии послужили основой для создания им в 1930-х годах теории микроэволюции.

В 1925 году жизнь семьи Тимофеевых-Ресовских круто изменилась.

По рекомендации Н.К. Кольцова и тогдашнего наркома здравоохранения Н.А. Семашко (которому подчинялся кольцовский институт) Николай Владимирович был приглашен в Германию директором берлинского Института мозга Оскаром Фогтом. Там, в пригороде Берлина Бухе, был организован отдел генетики этого института, который и возглавил Тимофеев-Ресовский. В течение 20 лет он оставался во главе этого учреждения, которое весной 1945 года было реорганизовано в самостоятельный Институт генетики и биофизики.

Всю войну семья Тимофеевых-Ресовских оставалась в Германии. Так они стали вынужденными эмигрантами. Некоторые современники, да порой и современные «знатоки» ставят это пребывание в нацистской Германии в вину Тимофееву-Ресовскому. Мол, как же так, жили и работали в стране, которая вела войну с СССР. Но здесь нужно помнить, что, во-первых, Тимофеев-Ресовский оставался гражданином СССР и к тому же имел огромный международный авторитет, а, во-вторых, сам Николай Владимирович, как мог, помогал остарбайтерам. Его старший сын Дмитрий и вовсе вступил в подпольную организацию Сопротивления, был арестован гестапо и погиб в концлагере. После освобождения Германии Тимофеев-Ресовский сохранил институт в зоне советской оккупации и даже был назначен советской военной администрацией новым директором Института мозга. Все это свидетельствует об абсолютно безупречном поведении Николая Владимировича и всей его семьи в годы гитлеровской диктатуры.

Другим значимым результатом стало создание теории микроэволюции. Новым материалом для изучения генетики популяций (наряду с «традиционной» дрозофилой) стали для ученого божьи коровки (ими в свое время занимался и Ф.Г. Добржанский). Тимофеев-Ресовский, по словам выдающегося биолога-эволюциониста Н.Н. Воронцова, стремился выделить элементарные, далее не членимые акты в эволюционном процессе. В этом сказалось и влияние великого физика Нильса Бора, с которым Тимофеев-Ресовский активно общался в 1930-х годах. Наряду
с Ф.Г. Добржанским Николая Владимировича можно считать одним из создателей синтетической теории эволюции. В 1939 году вышла его монографическая статья «Генетика и эволюция», а затем он принял участие в двух фундаментальных коллективных работах «Новая систематика» (1940) под редакцией английского биолога Джулиана Хаксли (где написал раздел «Мутации и географическая изменчивость») и «Эволюция организмов. Достижения и проблемы
эволюционного учения» (1943) под редакцией Герхарда Хеберера (глава «Генетика и эволюционные исследования на животных», написанная совместно с Г. Бауэром). В советской же науке впервые синтетическая теория эволюции в обобщенном виде была представлена в статье Тимофеева-Ресовского «Микроэволюция, элементарные явления, материал и факторы эволюционного процесса», опубликованной в 1958 году в период возрождения генетики после лысенковского безвременья.

Тимофеев-Ресовский был освобожден из заключения в 1951 году, а через четыре года амнистирован, но и после этого ему было запрещено постоянно проживать в Москве и Ленинграде. Реабилитация Тимофеева-Ресовского состоялась уже после его смерти, в 1992 году.

В 1955–1964 годах Николай Владимирович руководил отделом биофизики в Институте биологии Уральского филиала АН СССР в Свердловске и читал лекции в Уральском университете. На озере Большое Миассово в Ильменском заповеднике он организовал биостанцию, где проводил свои знаменитые «летние школы». Ему, всемирно признанному ученому, дважды пришлось защищать докторскую диссертацию, причем вторая защита состоялась уже после того, как в 1959 году Германская академия естествоиспытателей «Леопольдина» вручила ему плакетку Дарвина в связи со 100-летним юбилеем выхода в свет дарвиновского «Происхождения видов». Он был членом многих зарубежных академий, за исключением Академии наук СССР.