Nato a Parma il 5 settembre 1923 da Sebastiano (studioso di fisica sperimentale e di storia della scienza e direttore dal 1940 al 1949 della Domus Galilaeana, di Pisa) e da Maria Cardini (insegnante studiosa di storia della filosofia e specialmente della matematica greca), si trasferì coi genitori a Firenze nel 1930, dove compì gli studi ginnasiali e liceali e si iscrisse alla Facoltà di Lettere.
È stato allievo di Giorgio Pasquali e di Nicola Terzaghi e anche quando la famiglia si trasferì a Pisa rimase iscritto all’Università di Firenze, dove si laureò nel febbraio del 1945, poco dopo il passaggio della guerra, con una tesi in letteratura latina “Per una nuova edizione critica di Ennio”, che aveva iniziato sotto la guida di Pasquali e proseguito con Terzaghi.
A entrambi questi suoi maestri ha sempre professato la più viva gratitudine per ciò che da essi ha appreso. Si riconosce anche discepolo di Giuseppe De Robertis, di Giacomo Devoto, di Luigi Foscolo Benedetto.
Dopo la laurea ha seguito, come libero uditore, pur non essendo un normalista, i seminari che presso la Scuola Normale Superiore di Pisa hanno tenuto, negli anni Cinquanta e Sessanta, Alessandro Perosa (Filologia umanistica), Augusto Campana (Filologia medievale e umanistica e Paleografia), Eduard Fraenkel (Filologia greca e latina); anche ad essi si riconosce debitore di preziosi insegnamenti, e così pure alle riunioni del Circolo linguistico diretto da Tristano Bolelli.
Dal 1945 al 1960 ha insegnato in varie scuole secondarie della provincia di Pisa e considera tuttora questa esperienza altamente formativa sia dal punto di vista culturale sia da quello umano. Dal 1960 al 1983 si impiegò presso la casa editrice “La Nuova Italia” di Firenze in qualità di redattore, dove conobbe Maria Augusta Morelli, apprezzata studiosa di storia della Toscana Settecentesca, che divenne sua moglie.
Per quanto riguarda i suoi studi di filologia classica, dopo la pubblicazione della sua tesi di laurea in forma riveduta e accresciuta (“Studi italiani di filologia classica”,1945-48), ha continuato ad occuparsi di critica testuale, di interpretazione di autori latini e, in minor misura, di storia della lingua latina, con particolare riguardo al periodo arcaico della letteratura latina, a Virgilio e all’esegesi Virgiliana antica, ad autori latini tardi.

Una scelta dei saggi più significativi si trova nei suoi due volumi di Contributi di filologia e di storia della lingua latina (Roma, Ateneo, 1978) e Nuovi contributi di filologia e storia della lingua latina (Bologna, Pàtron, 1994). Ha inoltre pubblicato un’edizione divulgativa, ma non priva di qualche contributo personale, del De divinatione di Cicerone (Milano, Garzanti, 1988, rist. 1991) e un volume Per la storia della filologia virgiliana antica (Roma, Salerno Editrice, 1986).
Un altro suo campo di studio è stato la storia della filologia classica: La filologia di Giacomo Leopardi (Firenze, Le Monnier, 1955, nuova ed. riveduta Bari, Laterza, 1977); La genesi del metodo del Lachmann (Firenze, Le Monnier, 1963, nuova ed. Padova, Liviana, 1981 e 1985; ed. tedesca Die Entstehung der Lachmannschen Methode, Hamburg, Buske, 1971). Degli Scritti filologici (1817-1831) del Leopardi ha curato un’edizione in collaborazione con Giuseppe Pacella (Firenze, Le Monnier, 1969).
Si è anche occupato di storia della linguistica ottocentesca, con particolare riguardo a Graziadio Ascoli, ai suoi rapporti col Cattaneo, ai suoi successori, nonché ai fratelli Schlegel e alle polemiche tra A. W. Schlegel, Bopp e Humboldt (questi studi, usciti specialmente in “Critica storica”, la rivista diretta dal compianto Armando Saitta, non sono stati raccolti in volume).
Infine, dalla metà degli anni Cinquanta in poi, ha rivolto il suo interesse anche alla storia della cultura ottocentesca (Classicismo e illuminismo nell’Ottocento italiano, Pisa, Nistri-Lischi, 1965, nuova ed. accresciuta 1969 e varie ristampe successive; Aspetti e figure della cultura ottocentesca, ibid, 1980; Nuovi studi sul nostro Ottocento ibid, 1995), con particolare riguardo al pensiero del Leopardi e ad alcune figure minori del primo e medio Ottocento, specialmente Pietro Giordani, e, quanto all’ultimo Ottocento e primo Novecento, al De Amicis socialista (Il socialismo di E. De Amicis: lettura del  “Primo Maggio”, Verona, Bertani, 1983).
Ha dato anche due contributi allo studio di alcuni aspetti della psicanalisi non privi di attinenza con la critica testuale: Il lapsus freudiano (Firenze, Nuova Italia, 1975, rist. riveduta 1976) e “La fobia romana”, e altri studi su Freud e Meringer (Pisa, ETS, 1992). Del primo di questi due libri è uscita un’edizione inglese: The Freudian Slip (London, New Left Books, 1976) ed una spagnola (Barcelona, Editorial Crítica, 1977).
Timpanaro è socio corrispondente della British Academy, socio corrispondente dell’Accademia dei Lincei, socio effettivo dell’Accademia dell’Arcadia e dell’Accademia fiorentina “La Colombaria”.