Dwa pierwsze lata swojego życia spędził na Hawajach. Później jego rodzice przeprowadzili się do Modesto w Californii. Aktorstwo nie było jednak pierwszym zajęciem, któremu poświecił się Timothy. Zanim wstąpił na studia na University of Southern California, był bardzo dobrze zapowiadającym się pływakiem. Jak jednak sam mówi, jest to zbyt niepewny zawód by podporządkować mu całe życie.

Jego pierwsza rola w sztuce teatralnej „The Monogamist” w 1995 roku przyniosła mu prestiżową nagrodę za najlepszy debiut na deskach teatralnych roku - The Theater World Award for Outstanding Debut Performance. Było to jego pierwsze doświadczenie aktorskie, szybko jednak zaczął otrzymywać propozycje filmowe. Pierwszą rolę kinową miał okazję zagrać w doborowym towarzystwie (Diane Keaton, Goldie Hown, Bette Midler oraz Sarah Jessica Parker) w „Zmowie pierwszych żon” (1996) występując jako ofiara intryg głównych bohaterek. Rólka była to niewielka, ale najwyraźniej udana, bo następny film z udziałem aktora to „Życie mniej zwyczajne” reklamowane jako ciąg dalszy kultowego „Trainspotting”. Film z pierwowzorem miał niewiele wspólnego, ale stanowił trampolinę dla początkującego w biznesie filmowym Timothy’ego do „Krzyku 2” Wesa Cravena. W filmie wcielił się w młodego psychopatę, który systematycznie uszczupla paczkę znajomych o kolejnych jej członków, z Nave Cambpell i Sarah Michelle Gellar na czele. W „1999” zagrał już główną rolę jednego z młodych nowojorczyków, którzy zastanawiają się nad nadchodzącym Millenium. Podczas zabawy sylwestrowej, snują plany i analizują swoje dotychczasowe dokonania. Rok później aktor postanowił kontynuować występy w filmach skierowanych do młodych odbiorców, zagrał bowiem w „Go” określanym jako "młodzieżowe "Pulp Fiction". Olyphant wcielił się w handlarza narkotyków, którego próbują oszukać dwie główne bohaterki, grane przez również wówczas wybijające się aktorki – Katie Holmes oraz Sarah Polley.

Aktor ma szczęście do partnerowania aktorkom, które są u progu wielkiej sławy. W „60 sekundach” z 2000 roku spotkał się bowiem na planie z Angeliną Jolie. Olyphant gra w nim detektywa depczącego po piętach dwójce głównych bohaterów parających się rekordowo szybką kradzieżą samochodów. Podobnie było w przypadku „Gwiazdy rocka”, gdy wystąpił u boku zdobywającej popularność znanej z „Przyjaciół” – Jennifer Aniston.

Timothy Olyphant nie stroni też od dramatów, co udowodnił przyjmując role w filmie opowiadającym o zagmatwanych relacjach międzyludzkich – „Witamy w naszej dzielnicy” (2001), thrillerze psychologicznym „Podwójne życie” (2000) czy „Lidze złamanych serc” (2000) określanej mianem gejowskiej wersji „Przyjaciół”. Aktorowi zależy by zdobywać jak najszersze doświadczenie zawodowe, stara się więc nie ograniczać do jednego gatunku filmowego. Pojawił się w horrorach „Niesamowite opowieści” (2001), „Shadow Realm” (2002) oraz w „Łowcach snów” (2003). Jest też w obsadzie filmu sensacyjnego „Odwet” (2003), w którym partneruje Vanowi Dieselowi. W 2004 roku wystąpił w westernie „Deadwood”, widujemy go też w komediach romantycznych: „Bez pamięci”, „Dziewczyna z sąsiedztwa” oraz „Catch and Release” (2007), na planie którego ponownie spotka się z Jennifer Garner (wcześniej wspólnie zagrali w „1999”).

Aktor jest od 1991 roku żonaty z Alexis Knief. Razem z trójką dzieci mieszkają w Nowym Yorku, starając się odgrodzić plany zawodowe coraz popularniejszego idola nastolatek od spokojnego życia rodzinnego.