Воспитанник клуба «Волынь» из родного Луцка. Отыграл за этот клуб два сезона на взрослом уровне, затем перебрался в Донецк. Тимощук получил известность, играя в донецком «Шахтёре». В этой команде он стал капитаном и игроком основного состава сборной Украины.
Его трансфер в «Зенит» обошёлся питерцам в 20 млн долларов, что стало вторым рекордом в истории Украины. Тимощук был капитаном «Зенита».
«Бавария»
1 июля 2009 года Тимощук подписал трёхлетний контракт с мюнхенской «Баварией»
Свой первый гол в официальном матче за «Баварию» Анатолий забил 8 декабря 2009 года в матче группового этапа Лиги чемпионов против туринского «Ювентуса» в ворота Джанлуиджи Буффона (4:1 в пользу «Баварии»)
В первом же сезоне Тимощук становится с «Баварией» чемпионом и обладателем Кубка Германии. В первом круге чемпионата он был игроком стартового состава. Во втором круге Анатолий выходит исключительно на замену, так как тренер «Баварии», голландец Луи ван Гал, предпочитал задействовать ван Боммеля, при этом не имея никаких претензий к самоотдаче Тимощука.
Летом 2010 года Тимощук, недовольный временем, проводимым на поле, мог покинуть «Баварию», в прессе появлялась информация об интересе к Анатолию со стороны ряда немецких, итальянских и российских клубов. Тимощук имел договоренность с «Вольфсбургом», но в последний момент совет директоров «Баварии» наложил вето на трансфер, так как, по их мнению, Анатолий позитивно влиял на микроклимат в команде.
Второй свой сезон в Германии Тимощук начал на скамейке запасных, в чемпионате впервые появившись на поле лишь в матче шестого тура[12]. В стартовом составе Анатолий дебютировал в 8-м туре, в матче который пропускали из-за травм многие основные игроки «Баварии», в том числе и ван Боммель. В связи с затянувшимся восстановлением ван Боммеля, Тимощук вернул себе место в стартовом составе. 29 октября 2010 года в матче против «Фрайбурга» Анатолий забил свой первый гол в сезоне. После матча президент «Баварии» Ули Хенесс публично заявил:
« Я сидел на трибуне и смотрел матч против «Фрайбурга». И стал свидетелем того, что те игроки, которые не пользовались доверием ван Галя, были лучшими на поле. Я говорю о Тимощуке, Демикелисе и Гомесе. Тимощук вообще был лучшим игроком на поле во второй половине. Прискорбно, но ван Гал не принимает во внимание мнения других. Однако наш клуб сегодня не является шоу одного актера. В нашей команде имели место несправедливости по отношению к тем или иным игрокам, однако ван Гал должен проявлять большее уважение к другим людям, имеющим определённый опыт »
27 ноября 2010 года Анатолий Тимощук оформил первый дубль в составе «Баварии», команда победила «Айнтрахт» со счётом 4:1. Ван Гал стал периодически выпускать Тимощука на позиции центрального защитника, таким образом после восстановления ван Боммеля находя место на поле обоим футболистам.
Ведущее немецкое спортивное издание Kicker включило Тимощука в сборную первого круга Бундеслиги. Позже ван Гал заявил, что Тимощук убедил его в своей профпригодности.
25 января 2011 года официальный сайт «Баварии» сообщил о переходе ван Боммеля в «Милан». Несмотря на уход голландца, Тимощук продолжил играть центрального защитника, хорошо зарекомендовав себя на новой позиции.
В Санкт-Петербурге перед товарищеским матчем с «Зенитом» 18 мая 2011 года
Вторая половина сезона стала провальной для «Баварии». Мюнхенский клуб вылетел из 1/8 финала Лиги чемпионов, проиграл чемпионат и кубок. В апреле 2011 года был уволен ван Гал. Заканчивал сезон исполняющий обязанности тренера — бывший ассистент ван Галя Андриес Йонкер, который в последних матчах чемпионата вернул Тимощука на место опорного полузащитника.
Летом 2011 года новым тренером «Баварии» стал Юпп Хайнкес, на одной из своих первых пресс-конференций заявивший, что также видит Анатолия в полузащите: «Тимощук создан для позиции опорного полузащитника».
В своём третьем сезоне в Германии Тимощук снова остался без трофеев, несмотря на более успешные выступления клуба: «Бавария» до последнего претендовала на победы в трёх турнирах.
В 12-м туре чемпионата Германии, на последних минутах матча против «Аугсбурга», Тимощук получил первую красную карточку в мюнхенской карьере и был дисквалифицирован на три матча Бундеслиги.
В выездном четвертьфинале Лиги чемпионов против «Марселя» Тимощук сыграл свой 100-й матч в составе «Баварии».
29 марта 2012 года контракт Тимощука с «Баварией» был автоматически продлён на один год.
Четвёртый сезон Тимощука начался с победы в Суперкубке Германии. На 79-й минуте матча против дортмундской «Боруссии» Анатолий вышел на поле вместо Франка Рибери.
В последние дни летнего трансферного окна «Бавария» за 40 миллионов евро приобрела Хави Мартинеса, что должно было говорить о долгосрочной ставке на молодого испанца и сомнительных перспективах 33-летнего Тимощука. До зимнего перерыва Тимощук только 4 раза выходил в стартовом составе «Баварии». 28 ноября 2012 года в 14-м туре Бундеслиги Анатолий забил гол в ворота «Фрайбурга».
В кубковой игре «Баварии» против «Аугсбурга» Тимощук забил гол красивым дальним ударом, но судьи не увидели, что мяч от перекладины отскочил за линию ворот.
Анатолий Тимощук проводит матч за сборную команду Украины
Возвращение в «Зенит»
В начале июня 2013 года Анатолий вернулся в питерский «Зенит».
Сборная
Впервые за сборную Украины сыграл 26 апреля 2000 года в товарищеской игре против Болгарии — 1:0. Стал вице-капитаном. Играл в финальной части чемпионата мира по футболу 2006 в Германии, вышел с командой в четвертьфинал и занял 5—8 место. По состоянию на 2012 год, сыграл больше всех матчей за сборную: 126 (на втором месте Шевченко: 111; у остальных игроков — менее 100 игр).
Забил за сборную 4 мяча.
