Тимирязев родился 3 июня 1843 года в Петербурге, в старинной дворянской семье. Его отец Аркадий Семенович был начальником таможенной службы Петербурга. Он был известен честностью, вольнодумством и за годы службы не накопил состояния. Мать Аделаида Климентьевна была англичанкой, а ее предки происходили из Эльзаса. Поэтому Климент хотя и считал себя безусловно русским, но признавал, что в нем есть значительная доля крови.