Tõnis Timmusk lõpetas 1982. aastal Tartu Ülikooli bioloogia-geograafia teaduskonna geneetik-tsütoloogina, koostades arengubioloogia teemalise diplomitöö professor Jüri Kärneri juhendamisel.

Teaduskarjääri alustas ta 1985. aastal Tallinnas, Keemilise ja Bioloogilise Füüsika Instituudi molekulaargeneetika laboris professor Mart Saarma uurimisrühmas, keskendudes närvikasvufaktorite geenide struktuuri ja regulatsiooni uurimisele närvirakkude arengus ja funktsioneerimises. Neurotrofiinid, nagu NGF (esimene avastatud närvikasvufaktor) ja BDNF (aju päritolu neurotroofne tegur), hoiavad elus vajaliku arvu eri tüüpi neuroneid nii arenevas kui ka täiskasvanud närvisüsteemis. Neurotrofiinide puudulikku toimimist seostatakse mitmete neurodegeneratiivsete haigustega, näiteks Parkinsoni ja Huntingtoni tõvedega.

Professor Timmuski peamine uurimissuund keskendus BDNF-i kodeeriva geeni struktuuri ja regulatsiooni mõistmisele. Lisaks teatud neuronite elushoidmisele on BDNF-il olulised rollid ka sünaptilises plastilisuses, aidates kaasa impulsiivsuse allasurumisele. Katseloomadel, kellel on BDNF-i tase poole võrra vähenenud, ilmnevad märkimisväärne agressiivsuse tõus ja söögiisu suurenemine, mis viib rasvumiseni.

1991. aastal siirdus professor Timmusk Rootsi, kus ta kaitses 1994. aastal Karolinska Instituudis professor Håkan Perssoni laboris Madis Metsise juhendamisel doktoritöö, jätkates Eestis alustatud BDNF-i geeni uuringuid. Tema doktoritöö raames avaldati üks Timmuski teadlaskarjääri olulisemaid artikleid BDNF-i geeni struktuuri ja regulatsiooni kohta. See artikkel ilmus neuroteaduse mainekas ajakirjas Neuron, saades suunanäitajaks nii Timmuski enda teadustöös kui ka BDNF-i ja teiste neurotrofiinide geenide uurijatele üle kogu maailma.

1990. ja 2000. aastatel jätkas professor Timmusk BDNF-i, GDNF-i (gliia-päritolu neurotroofne tegur) ja teiste neurotrofiinide geenide regulatsiooni uurimist Uppsala ja Helsingi ülikoolides. Koostöös Milano ülikooli teadlastega avaldas ta 2001. aastal ajakirjas Science ja 2003. aastal Nature Genetics-is artiklid, mis näitasid, et Huntingtoni tõve korral on BDNF-i transkriptsioon kortikaalsetes neuronites oluliselt vähenenud, ning selgitasid välja selle molekulaarse mehhanismi. Need tulemused avardasid oluliselt arusaama Huntingtoni tõve patogeneesist.

Helsingis töötades andis professor Timmusk koos professor Saarma uurimisrühmaga olulise panuse uudse, evolutsiooniliselt nii selgrootutes kui ka selgroogsetes säilinud dopaminergilise neurotroofse teguri CDNF-i avastamisse 2007. aastal. Erinevalt klassikalistest neurotrofiinidest, mis esinevad ainult selgroogsetel, on CDNF-i rakenduslik potentsiaal eriti oluline Parkinsoni tõve ravis, kuna selle haiguse korral hävivad motoorikat kontrollivad keskaju dopaminergilised neuronid pöördumatult. Praegu viib professor Saarma koos kolleegidega läbi kliinilisi katseid CDNF-valguga, et hinnata selle tõhusust Parkinsoni tõve ravis.

2002. aastal asus professor Timmusk tööle Tallinna Tehnikaülikooli molekulaarbioloogia professorina, kus ta töötab tänaseni, juhtides edukalt BDNF-i geeni regulatsiooni uurimist. Tema juhendamisel on kaitstud 17 doktoritööd ja 42 magistritööd. Lisaks BDNF-ile lisandus tema uurimistemaatikasse TCF4 geen, mis on muteerunud harvikhaiguse, Pitt-Hopkinsi sündroomi korral. See geneetiline haigus põhjustab raske vaimse alaarengu, mille tõttu patsiendid ei omanda kõneoskust. Samuti on ülegenoomsed assotsiatsiooniuuringud leidnud skisofreenia patsientidel TCF4 muutunud variante. Professor Timmuski tööd TCF4 rolli ja regulatsiooni häirete kohta Pitt-Hopkinsi sündroomis on korduvalt rahastanud USA erafond, mille on loonud patsientide vanemad.

Professor Timmuski viljakat teadlaskarjääri on tunnustatud kahel korral Eesti Vabariigi teaduspreemiaga. 2008. aastal sai ta arstiteaduse alal preemia uurimuste tsükli „Närvisüsteemi haiguste molekulaarsetest mehhanismidest” eest ning 2020. aastal keemia ja molekulaarbioloogia valdkonnas publikatsioonide tsükli “Neuraalse aktiivsusega reguleeritud geeniekspressiooni mehhanismid” eest.

Riik tunnustas professor Timmuski teadustööd 2010. aastal Valgetähe IV klassi teenetemärgiga.

Professor Timmusk on avaldanud üle 100 teaduspublikatsiooni, sealhulgas mainekates ajakirjades nagu Nature, Science, Nature Genetics, Neuron ja Journal of Neuroscience. Tema uurimistöö tulemuste põhjal on registreeritud ka kuus patenti.