Родился в 1922 году в селе Казинское (Комаричский район Орловской области). С 1940 года в рядах Красной Армии, призван Комаричским РВК. Окончил военную авиационную школу лётчиков.

С 8 октября 1942 года сержант Н. А. Тимонов на фронтах Великой Отечественной войны в должности пилота 728-го ИАП, летал на Як-7 и Як-9. Некоторое время был ведомым у А. В. Ворожейкина. Сражался на Калининском, Воронежском и 1-м Украинском фронтах. 13 октября 1943 года тяжело ранен в воздушном бою, после 3 месяцев лечения вернулся в полк и продолжил воевать.

2 августа 1944 года командир звена 728-го истребительного авиационного полка (256-я истребительная авиационная дивизия, 5-й истребительный авиационный корпус, 2-я Воздушная армия) лейтенант Н. А. Тимонов подбит зенитной артиллерией противника и разбился при вынужденной посадке на аэродроме. К тому времени выполнил около 100 боевых вылетов, провёл более 20 воздушных боёв, в которых сбил лично 9 самолётов противника. Похоронен на кладбище в деревне Лешно (Польша).

Награждён орденами: Красного Знамени (16.12.1943, 02.07.1944); медалью "За отвагу" (04.08.1943).