Роль Т. в развитии физиологии растений. Основные исследования Т. по физиологии растений посвящены изучению процесса фотосинтеза , для чего им были разработаны специальные методики и аппаратура.
Выясняя зависимость фотосинтеза от интенсивности света и его спектрального состава, Т. установил, что ассимиляция растениями углерода из углекислоты воздуха происходит за счёт энергии солнечного света, главным образом в красных и синих лучах, наиболее полно поглощаемых хлорофиллом. Т. впервые высказал мнение, что хлорофилл не только физически, но и химически участвует в процессе фотосинтеза, предвосхитив этим современные представления. Он показал, что интенсивность фотосинтеза пропорциональна поглощённой энергии при относительно низких интенсивностях света, но при их увеличении постепенно достигает стабильных величин и далее не меняется, то есть им были открыты явления светового насыщения фотосинтеза («Зависимость усвоения углерода от интенсивности света», 1889). Таким образом, Т. опытным путём доказал приложимость к процессу фотосинтеза закона сохранения энергии и первого закона фотохимии (см. Гротгуса закон ).
В так называемой крунианской лекции, прочитанной в Лондонском королевском обществе и названной «Космическая роль растения» (1903, в рус. пер. 1904), Т. обобщил свои многолетние исследования в области фотосинтеза. Он осветил значение фотосинтеза, осуществляемого зелёными растениями, как первоисточника органического вещества и запасаемой энергии, необходимых для жизнедеятельности всех организмов. Открытие Т. энергетической закономерности фотосинтеза явилось крупным вкладом в учение о единстве и связи живой и не живой материи в процессе круговорота веществ и энергии в природе.
В физиологии растений, наряду с агрохимией, Т. видел основу рационального земледелия. В 1867 по предложению Менделеева Т. заведовал организованным на средства Вольного экономического общества опытным полем в с. Реньевке Симбирской губернии, где проводил опыты по действию минеральных удобрений на урожай. В 1872 по его инициативе на территории Петровской с.-х. академии был построен первый в России вегетационный домик . В 1896 Т. организует на Всероссийской выставке в Нижнем Новгороде показательную опытную станцию с вегетационным домиком. В лекции «Физиология растений как основа рационального земледелия» (1897) Т. показывает эффективность применения минеральных удобрений.
В лекции «Борьба растения с засухой» (1892, опубликована в 1893), прочитанной в связи с вызванным засухой 1891 неурожаем, Т. обобщил имевшиеся в то время данные по вопросам водного режима и засухоустойчивости растений, рекомендовав практические меры для уменьшения причиняемого земледелию вреда засухой.
Т. как эволюционист и дарвинист. Т. — один из первых пропагандистов дарвинизма в России. Эволюционное учение Дарвина он рассматривал как крупнейшее достижение науки 19 в., утверждающее материалистическое мировоззрение в биологии. Обобщив свои статьи по дарвинизму, публиковавшиеся с 1864 в журнале «Отечественные записки», Т. выпустил книги «Краткий очерк теории Дарвина» (1865), в 1832 — «Чарльз Дарвин и его учение» (15-е издание — 1941). В связи с 50-летием выхода в свет книги Дарвина «Происхождение видов» Т. опубликовал серию статей (1908—10), в которых пропагандировал дарвинизм и защищал его от нападок консервативных учёных и церковников, выступал с публичными лекциями. Творческую разработку учения Дарвина Т. даёт в цикле своих лекций под общим заглавием «Исторический метод в биологии...» (опубликованы в 1922), где определяет задачи морфологии и физиологии и показывает пути их решения на основе изучения исторического процесса возникновения формы и функции. С позиций дарвинизма, и в первую очередь учения о естественном отборе, Т. объяснял и эволюцию функций у растений, в частности эволюцию фотосинтеза и универсальное распространение хлорофилла у автотрофных растений.
Т. неоднократно подчёркивал, что современные формы организмов — результат длительной приспособительной эволюции; на любом виде ныне живущих организмов лежит печать, с одной стороны, приспособленности к условиям обитания, с другой, — всей предшествующей эволюции. Исходя из этого, Т. считал, что для правильного понимания законов биологии, разнообразных проявлений жизни и возможности управления ими необходим исторический метод, то есть последовательный эволюционный подход к изучению организмов. Он писал: «... ни морфология, со своим блестящим и плодотворным сравнительным методом, ни физиология, со своим еще более могущественным экспериментальным методом, не покрывают всей области биологии, не исчерпывают ее задач; и та, и другая ищет дополнения в методе историческом» (Соч., т. 6, 1939, с. 61).
Т. как популяризатор и историк науки. Популяризация науки — одна из характерных и блестящих особенностей многогранной деятельности Т. Он писал: «С первых шагов своей умственной деятельности я поставил себе две параллельные задачи: работать для науки и писать для народа, то есть популярно…» (там же, т. 9, с. 13—14). Популяризацию научных знаний он рассматривал как путь, на котором соединяются наука и демократия.
Классический пример популяризации науки — книга Т. «Жизнь растения» (1878), выдержавшая десятки изданий на русском и иностранном языках. Сочетание глубокого анализа современных проблем естествознания с доступным и увлекательным их изложением характерно и для др. произведений Т.: «Столетние итоги физиологии растений» (1901), «Основные черты истории развития биологии в XIX столетии» (1907), «Пробуждение естествознания в третьей четверти века» (1907; в 1920 вышла под названием «Развитие естествознания в России в эпоху 60-х годов»), «Успехи ботаники в XX веке» (1917; в 1920 вышла под названием «Главнейшие успехи ботаники в начале XX столетия»), «Наука. Очерк развития естествознания за 3 века (1620—1920)» (1920), биографических очерков, воспоминаний и некрологов, посвященных выдающимся деятелям мировой науки (Дарвину, Л. Пастеру и др.). Т. защищал мысль об огромной роли науки в борьбе за мир. В 1917 Т. писал: «...Наука и демократия по самому существу своему враждебны войне» (там же, с. 252).
Т. был одним из первых крупных русских учёных, приветствовавших Великую Октябрьскую социалистическую революцию. В 1920 вышел в свет сборник статей Т. «Наука и демократия», по поводу которого В. И. Ленин в письме к Т. писал: «Я был прямо в восторге, читая Ваши замечания против буржуазии и за Советскую власть» (Полн. собр. соч., 5 изд., т. 51, с. 185). Несмотря на тяжёлую болезнь, 75-летний Т. участвовала работе Наркомпроса РСФСР и Социалистической (позднее Коммунистической) академии общественных наук, членом которой был избран в 1918. В 1920 Т. был избран депутатом Моссовета.
Незадолго до смерти Т. говорил: «Большевики, проводящие ленинизм, — я верю и убежден, — работают для счастья народа и приведут его к счастью» (см. Соч., т. 1, 1937, с. 160).
В Москве сооружен памятник Т. и создан мемориальный музей-квартира; имя Т. присвоено Московской с.-х. академии, институту физиологии растений АН СССР. Его именем названы один из районов Москвы и улицы во многих городах СССР. АН СССР раз в три года присуждает премию им. Тимирязева за лучшие работы по физиологии растений и ежегодно проводит Тимирязевские чтения.