Родился 22 июля 1905 года в селе Пустотино Ряжского уезда Рязанской губернии в крестьянской семье. Кроме него в семье еще было семь детей. С раннего детства в полной мере выполнял все работы в поле и в доме по хозяйству. В 1922 г. с отличием окончил среднюю школу, много работал в Пустотинской комсомольской ячейке, которая и рекомендовала его в высшее учебное заведение. Он поступил на медицинский факультет Томского университета, который окончил в 1929 г. С первых же дней учебы в университете Владимир Дмитриевич познакомился со своей будущей женой — Марией Александровной Тихоновой. Они поженились в 1927 г. и счастливо прожили вместе 50 лет. Мария Алексеевна также посвятила свою жизнь медицине: защитила кандидатскую диссертацию и впоследствии работала в области неврологии и физиотерапии. Еще в студенческие годы Владимир Дмитриевич проявил серьезный интерес к научной работе в области микробиологии, которую преподавал проф. П.Б. Бутягин. После окончания института Владимир Дмитриевич поступил в аспирантуру, затем стал ассистентом кафедры и одновременно заведующим отделом Томского бактериологического института. Как талантливый исследователь и организатор, он был приглашен в 1934 г. в Туркменский институт микробиологии и эпидемиологии на должность заведующего отделом вакцин и сывороток, где в 1936 г. под руководством проф. В.В.Сукнева защитил кандидатскую диссертацию, посвященную профилактическим препаратам против кишечных инфекций. В 1935г. наряду с основной должностью В.Д. Тимаков был избран доцентом кафедры микробиологии Туркменского медицинского института. В предвоенные годы он завершил обширный цикл исследований по прикладной иммунологии и защитил докторскую диссертацию о тифозных и паратифозных вакцинах. В 1941г. его назначили Наркомом здравоохранения Туркменской ССР.
Во время войны В.Д. Тимаков занимался организацией сети госпиталей, санаториев и курортов для лечения раненых бойцов и обслуживания большого потока эвакуированных, а также противоэпидемической и научно-исследовательской работой, подготовкой кадров. Большой заслугой В.Д. Тимакова явилось то, что в тяжелых военных условиях при громадном потоке эвакуированных было обеспечено санитарно-эпидемическое благополучие Туркмении, а также других среднеазиатских республик.
В 1945г., когда была образована Академия медицинских наук СССР, В.Д. Тимакову предложили переехать в Москву и возглавить Институт эпидемиологии, микробиологии и инфекционных болезней АМН СССР. По инициативе В.Д. Тимакова в 1948 г. к этому институту было присоединено ранее самостоятельное научно-производственное учреждение — Центральный институт эпидемиологии и микробиологии, имевший мощнейшую в стране производственную базу. Под руководством В.Д. Тимакова институт (с 1949г. – имени Н.Ф. Гамалеи) стал ведущим центром страны в области создания и производства профилактических, диагностических и лечебных препаратов. В этом же году В.Д. Тимаков избран членом-корреспондентом, а в 1952 г. – действительным членом АМН СССР. Одновременно он ведет большую преподавательскую работу – около 30 лет (1949-1977гг.) заведует кафедрой микробиологии 2-го МОЛГМИ им. Пирогова. В.Д. Тимаков как выдающийся организатор науки проявил себя на руководящей работе в АМН СССР, куда он был выдвинут вначале академиком-секретарем, затем вице-президентом, в 1968 г. избран президентом АМН СССР. Он был инициатором организации ряда научных центров и Сибирского филиала АМН СССР.
Депутат ВС СССР 9-го созыва. Лауреат Госпремии (1951) и Ленинской премии (1974). Являлся почетным членом многих зарубежных академий и обществ. Награжден многими орденами и медалями.
Жил в доме с семьей в квартире № 191. Умер в 1977 году.