Главные исследования Тимирязева касались фотосинтеза. Именно Тимирязев понял, что свет усваивается благодаря зернам хлорофилла, которые придают растениям зеленую окраску. Тимирязев первым высказал мнение, что хлорофилл не только физически, но и химически участвует в фотосинтезе. Своими опытами он доказал, что закон сохранения энергии полностью распространяется также и на процесс фотосинтеза, хотя большинство исследователей того времени это отрицало. В другой серии опытов Тимирязев открыл явление светового насыщения. Кроме прочего, открытие Тимирязева означало, что в условиях нашего климата даже половины полуденного освещения вполне достаточно для нужд растения. Изучение фотосинтеза привело Тимирязева к выводу о «космической роли растений». Именно растения, использующие для питания энергию солнечного света, создают первичное органическое вещество, еду для животных. Именно они поддерживают постоянство химического состава атмосферы, выделяя кислород, необходимый для дыхания всех живых организмов.