Биолог, генетик, один из основоположников радиационной генетики и радиационной биогеоценологии. Автор многих исследований по генетическому действию излучений, позволивших сформулировать основные представления современной радиобиологии.
В 1930-е годы совместно с М. Дельбрюком создал первую биофизическую модель структуры гена и предложил возможные пути его изменения. Изучая начальные этапы внутривидовой дифференциации, сформулировал и развил учение о микроэволюции. В конце 1930-х годов жил и работал в Германии, став по сути невозвращенцем, поскольку существовала опасность, что его могут репрессировать. В годы Великой Отечественной войны был членом подпольной антинацистской организации.
С апреля по сентябрь 1945 г. возглавлял Институт исследований мозга в Бухе. В сентябре арестован НКВД, а летом 1946 г. учёного приговорили
к 10 годам лишения свободы по обвинению в измене Родине и этапировали в ГУЛАГ. Но в 1947 г. как специалиста по радиационной генетике его привлекли к работам в советском ядерном проекте. Из заключения освобождён в 1951 г.
В 1955-1964 гг. - заведовал отделом биофизики в Институте биологии УФАН СССР в Свердловске. В 1964-1969 гг - заведовал отделом радиобиологии и генетики в Институте медицинской радиологии АМН СССР в Обнинске. С 1969 г. работал Институте медико-биологических проблем в Москве.
Скончался Н.В. Тимофеев-Ресовский 28 марта 1981 года, похоронен на кладбище Кончаловские горы в Обнинске (Калужская область).
