С 1907 по 1911 год профессор Киевского политехнического института, с 1912 по 1917 год — профессор институтов в г. Петербурге. В 1918 г. избран академиком АН Украины. В 1920 году эмигрировал в Югославию, а затем в 1922 году в США. Работал там в компании «Вестингауз», с 1927 г. — профессором Мичиганского университета, а с 1936 года — Станфордского университета. В 1960 году переехал в ФРГ. Основные научные труды посвящены механике твердых деформируемых тел и расчету сооружений. Создал классическое учебное пособие «Курс сопротивления материалов» (1911 г.) и «Курс теории упругости» (1914–1916 гг.). Член многих академий мира, иностранный член АН СССР (1928).
Он по праву считается здесь «русским ученым», хотя в нем и нет, говоря в современных терминах, русской крови: мать Степана была полькой, а отец — украинцем. Тем не менее Тимошенко — это русский ученый в лучшем смысле этого слова. Россию ее правители размахнули на полсвета с запада на восток, а с севера на юг. Некто постарше их располосовал ее гигантскими реками, которые для коммуникаций скорее помеха, чем подспорье. Чтобы связать всю эту громаду в целое, нужны были дороги. Их-то и предстояло построить русским инженерам. А для того требовалось рассчитать рельсы, подогнать детали паровозов, найти очертания огромных мостов… Да поточнее, чтоб лишняя сталь не оседала мертвым грузом в конструкциях, давая ход алчным конкурентам. Вот почему именно железнодорожные задачи стали главными для славной плеяды русских инженеров (Журавского, Лолейта, Ясинского, Коробова, Шухова, Белзецкого и др.). Даже звучание фамилий выдает, что не все они были русскими по крови. Но русский простор стал частью их профессионального мышления.
Вот что привело способного мальчика из г. Ромны в Петербургский институт путей сообщения — головной мозг дорожного организма России. Собственно, он бы с неменьшей охотой отправился в университет изучать математику. И это была бы серьезная потеря как для России, так и для Америки, но… это было невозможно. И тут, видимо, впервые для него дала себя знать нелепость российской действительности — сколько еще раз придется с ней столкнуться рациональному мозгу инженера! Дело в том, что он, выпускник реального училища, не имел права поступать в университет. Хотя математику ему давали в большем объеме, чем в гимназиях, но не учили древним языкам. Как будто Эвклида можно изучать только по подлиннику, а не по прекрасному учебнику Киселева! Может, отсюда (все мы люди!) пошла у Тимошенко придирчивая ревность к университетским математикам.
Математику в институте им преподавали неправильно, считал Тимошенко. «Инженерам нужно знать только, что составляет суть математических дисциплин и как эти знания применять на практике». Этому профессора математики не учили. Они лишь повторяли курсы, которые им преподавали в университетах, перегружая их доказательствами, но почти не давая приложений. Великий математик и логик Бертран Рассел сказал: «Математики готовят в вузах только преподавателей математики, чтобы те готовили, в свою очередь, преподавателей математики и т. д. до бесконечности». Тимошенко разделял это суждение. Много лет спустя знаменитый физик А. Ф. Иоффе, соученик Тимошенко по ромненской гимназии, напишет, что Тимошенко принесло славу внедрение современных достижений математики в инженерные расчеты. Это отчасти верно, хотя тут и сквозит снобизм, присущий физикам. На самом деле Тимошенко использовал математику лишь как утилитарный язык инженерных рассуждений, никогда не выпячивая ее на первый план. Лекции по математике Тимошенко не слушал, отдавая предпочтение инженеру Белзецкому, который давал на своих лекциях много примеров. Посещение лекций тогда было добровольным, когда число слушателей падало ниже двух-трех, чтение курса с облегчением прекращалось.
А вокруг был шумный студенческий Петербург, Шаляпин в Мариинке, война с Японией, студенческая столовая. Всему этому Тимошенко отдал долг. Он участвовал в студенческом самоуправлении, желал победы японцам, все чаще выступал как инженер-расчетчик во многих проектах. Окончил курс в числе первых, но не первым, подчеркивает Тимошенко в своей автобиографии: таким людям препятствует в первенстве их избирательность. Вскоре после окончания он был приглашен преподавать в свой институт. Но тут произошла осечка: Тимошенко преградила путь первая русская революция, институт был закрыт за отказ студентов повиноваться приказам. Но границы государства оставались открытыми, и Тимошенко отправился в Германию посмотреть, как живут, учатся и рассчитывают конструкции европейцы. Здесь на него большое впечатление произвела восходящая звезда немецкой механики Людвиг Прандтль. Курс, который он прочел, лег в сознание Тимошенко плодородным слоем. Тем временем Россия временно успокоилась, поезда стали снова ходить по расписанию, восстановились и расписания лекций. Тимошенко стал профессором Киевского политехнического института. Началась его карьера лектора, которая продолжалась много лет и завершилась лишь в 60-х годах в Станфордском университете, штат Калифорния.