Родился 05.02.1907 г. в д. Киргизке (ныне в составе г. Томска) в крестьянской семье. Русский. Окончил начальную школу. Работал на швейной фабрике №2 в г. Алма-Ате.
В 1941 г. был призван в Красную Армию Фрунзенским РВК г. Алма- Аты. На фронте в Великой Отечественной войне с сентября 1941 г.
Стрелок 1075-го стрелкового полка (316-я стрелковая дивизия, 16-я армия, Западный фронт) комсомолец рядовой Тимофеев 16 ноября 1941 г. в бою у разъезда Дубосеково Волоколамского района Московской области в составе группы истребителей танков во главе с политруком В.Г. Клочковым участвовал в отражении многочисленных атак противника, было уничтожено 18 вражеских танков. Данный подвиг вошёл в историю как подвиг 28 героев-панфиловцев.
Тяжелораненый боец Тимофеев был взят немцами в плен, хотя долгое время считался погибшим во время боя.
Из наградного листа:
«Полк прибыл на фронт, на защиту родной столицы – города Москвы. Шли ожесточенные бои. Враг вводил все новые силы, пытаясь любой ценой прорваться к советской столице. Вместе со своими товарищами мужественно и бесстрашно дрался с врагами тов. Тимофеев в непрерывных боях, он был бесконечно предан своему народу, родному Сталину. За боевые заслуги в борьбе с немецкими оккупантами дивизия и полк стали гвардейскими – это звание тов. Тимофеев завоевывал вместе с боевыми товарищами в жестоких сражениях с фашистскими ордами.
16 ноября 1941 г. немцы начали новое наступление с задачей прорыва обороны и выхода к Москве. Один из важнейших участков обороны у разъезда Дубосеково занимало подразделение в 28 человек во главе с политруком Клочковым. В этой горстке храбрецов находился и товарищ Тимофеев. Он вместе со своими товарищами погиб в неравном бою против 50 танков врага. Враг не прошел, оставив подбитыми и сожженными 18 танков.
За проявленные доблесть, мужество и геройство в борьбе с немецкими захватчиками товарищ Тимофеев достоин присвоения звания Героя Советского Союза».
21 июля 1942 года Указом Президиума Верховного Совета СССР Дмитрию Фомичу Тимофееву посмертно было присвоено звание Героя Советского Союза (медаль «Золотая Звезда» № 1038).
После освобождения из фашистского плена, а также проверок советской контрразведкой Д.Ф. Тимофееву были вручены орден Ленина и медаль «Золотая Звезда» Героя.
После войны находился на лечении в городе Кисловодске Ставропольского края, где и умер 13 июня 1950 года (подтверждено справкой из Отдела записи актов гражданского состояния по городу Кисловодску).
Награжден орденом Ленина, медалями.
В деревне Нелидово Волоколамского района Московской области открыт музей, посвященный Героям. На месте подвига воздвигнут мемориал. В поселке Светлом Томского района Томской области на фасаде здания школы установлена мемориальная доска в память о славном земляке, одном из пятерых, оставшихся в живых, из двадцати восьми Героев-панфиловцев.