Из профессоров он с благодарностью вспоминает ботаника — систематика А. Н. Бекетова и гениального химика Д. И. Менделеева. По окончании университета К. А. Тимирязев избирает своей специальностью физиологию растений. По — видимому, это произошло под влиянием участия в полевых исследованиях в Симбирской губернии, организованных и руководимых Д. И. Менделеевым. К. А. Тимирязев, участвуя в этой работе, произвел свои первые опыты над воздушным питанием растений, о которых в 1868 году доложил на I съезде естествоиспытателей в Петербурге. В этом докладе он уже тогда дал широкий план исследования фотосинтеза.
В том же 1868 году К. А. Тимирязев по предложению профессора Бекетова получил командировку за границу, где работал сначала в Гейдельберге у Кирхгофа и Бунзена, а затем в Париже у основателя научной агрономии Буссенго и знаменитого химика Бертло. Наступившая в 1870 году франко — прусская война прервала его работу, и он возвратился в Россию.
Весной 1871 года К. А. Тимирязев защитил в Петербургском университете магистерскую диссертацию «Спектральный анализ хлорофилла» и занял кафедру ботаники в Петровско — Разумовской (ныне Тимирязевской) сельскохозяйственной академии в Москве. В 1877 году он был избран Московским университетом на кафедру анатомии и физиологии растений.
В 1892 году Петровско — Разумовская сельскохозяйственная академия, как «беспокойное» учебное заведение, была закрыта, и весь персонал уволен. Когда через некоторое время она была вновь открыта, К. А. Тимирязева не оказалось в числе тех профессоров, которые были приглашены занять кафедры.
В 1911 году он был вынужден покинуть и Московский университет вместе с 125 профессорами и доцентами в знак протеста против увольнения ректора и его двух помощников. Университет он оставил уже больным стариком. За два года до этого у него произошло кровоизлияние в мозг, после чего остались парализованными левая рука и нога, так что он не мог двигаться без посторонней помощи. Но умственная работоспособность сохранилась полностью, и он не прекращал научной и публицистической деятельности.
После революции, несмотря на болезнь, К. А. Тимирязев принял деятельное участие в работе Московского Совета как его депутат.
20 апреля 1920 года, возвращаясь домой после заседания, К. А. Тимирязев простудился и в ночь на 28 апреля скончался от воспаления легких.
К. А. Тимирязев как ученый представляет редкий тип исследователя, экспериментально работавшего всю свою жизнь над разрешением одной проблемы. Но значение этой проблемы — проблемы воздушного питания растений, или фотосинтеза, — далеко выходит за пределы физиологии растений, так как с этим процессом связано существование не только растений, но и всего животного мира. Мало того, в фотосинтезе растение берет и усваивает не только вещество, а именно углекислоту воздуха, но и энергию солнечных лучей. Это дало право К. А. Тимирязеву говорить о космической роли растений, передающих энергию Солнца нашей планете.
Что же сделал К. А. Тимирязев для решения этой громадной проблемы, имеющей общебиологическое значение?
На этот вопрос отвечал он сам, подводя итог своим исследованиям в последней предсмертной статье: «Главным содержанием моей полувековой научной деятельности был всесторонний экспериментальный ответ на запросы, предъявленные науке двумя мыслителями — Г. Гельмгольцем и Р. Майером — основателями закона сохранения энергии. Главным стимулом, руководившим ими в их стремлении обосновать этот закон, по их собственному признанию, было покончить навсегда с бытовавшим тогда учением «о жизненной силе», которым пресекается, по мнению Майера, путь к дальнейшему исследованию и делается невозможным применение законов точной науки к изучению жизни».
Чтобы обосновать закон сохранения энергии в применении к организмам, Майер считал необходимым на опыте решить вопрос, «действительно ли тот свет, который падает на живое растение, получает иное потребление, чем тот свет, который падает на мертвые тела». К этому же вопросу пришел и Г. Гельмгольц, который считал необходимым на опыте показать, «точно ли живая сила исчезающих при поглощении их листом солнечных лучей соответствует накопляющемуся запасу химических сил растения». «Осуществить этот опыт, — говорит К. А. Тимирязев, — превратить блестящую мысль двух великих ученых в несомненную истину, доказать солнечный источник жизни — такова была задача, которую я поставил с первых же шагов научной деятельности и упорно и всесторонне осуществлял в течение полувека».