Научные труды Тимирязева посвящены экспериментальной и теоретической разработке проблемы фотосинтеза. Тимирязева установил, что фотосинтез осуществляется в соответствии с законом сохранения энергии; интенсивность фотосинтеза тесно связана с интенсивностью света. Тимирязева высказал мнение, что хлорофилл не только физически, но и химически участвует в фотосинтезе, предвосхитив тем самым развитие современной науки.
Исследование Тимирязева энергетических закономерностей фотосинтеза имело важное значение в обосновании учения о единстве и связь живой и неживой материи в процессе круговорота веществ и энергии в природе. К. А. Тимирязева поднял проблему эволюции фотосинтеза, которая нашла свое развитие в современной науке.