Timirjazev utviklet begrepet klorofyll ikke bare som et fysisk, men også som en kjemisk prosess som påvirkes av oksidasjonsreduksjon. I 1890 var han en av de første som hevdet eksistensen av det andre absorpsjonsbåndet til klorofyll og følgelig det andre absorpsjonsbåndet til fotosyntese. Han studerte forholdet mellom fotosyntese og intensiteten av lys i 1889. Etter 34 år med forskning på fotosyntesen publiserte han artikkelen «Den kosmiske funksjonen til den grønne plante», som han holdt en forelesning om ved Royal Society i London i 1903. For å lykkes med forskningen på fotosyntesen hadde han utviklet flere nye metoder og måleinstrumenter. Han formulerte også teorier om vanning og næring for planter.