Tim Mayer begann seine Karriere 1959 in der Formel Junior. Nebenbei studierte er auf der renommierten Universität Yale englische Literatur. 1962 ging er in der Automobil-Weltmeisterschaft mit einem werksseitig eingesetzten Cooper T53 an den Start. Beim Großen Preis der USA in Watkins Glen musste Mayer allerdings nach 31 von 100 Runden mit einem Getriebedefekt aufgeben. Es blieb sein einziges Rennen in der Automobil-Weltmeisterschaft. Im folgenden Jahr ging er wieder in der Formel Junior an den Start, diesmal für das Team von Ken Tyrrell, der zu dieser Zeit Rennwagen von Cooper einsetzte. Trotz des unterlegenen Materials und der überlegenen Rennwagen von Brabham und Lotus konnte Mayer gute Resultate herausfahren. Bruce McLaren förderte Mayers Talent und besorgte ihm einen Vertrag für die Automobil-Weltmeisterschaft 1964.