Родился 25 июня 1961 г. в гор. Гурьеве Казахской ССР (ныне г. Атырау, Республика Казахстан) в семье Нуруахита Бижановича Бекмамбетова и Миры Анатольевны Богословской. Его отец работал на руководящих должностях на предприятии "Гурьевэнерго", мать была заместителем редактора газеты "Прикаспийская коммуна".
В 1979 г. Тимур Бекмамбетов был принят в Московский энергетический институт, однако в 1982 г. оставил учебу в вузе и переехал в Ташкент (Узбекская ССР, ныне Республика Узбекистан), где поступил в Государственный театрально-художественный институт им. А. Н. Островского (ныне Государственный институт искусств и культуры Узбекистана) на факультет живописи по специальности "Художник театра и кино". В 1986-1987 гг. как художник-постановщик участвовал в съемках телефильма "Перед большой дорогой на войну" (режиссер Эдуард Хачатуров). Окончил вуз в 1987 г.
В 1988-1989 гг. Тимур Бекмамбетов прошел службу в Советской армии - в артиллерийских войсках под Ашхабадом (Туркменская ССР, ныне Туркмения).
В конце 1980-х гг. работал художником в ташкентском театре "Ильхом" и на киностудии "Узбекфильм", затем переехал в Москву и занялся производством телевизионной рекламы.
Приобрел известность благодаря серии роликов "Всемирная история для банка "Империал" (1992-1997), удостоенных ряда фестивальных наград.
Дебютом Тимура Бекмамбетова в полнометражном кинематографе стала драма "Пешаварский вальс", снятая совместно с Геннадием Каюмовым (1994; приз за лучшую режиссуру Международного кинофестиваля в Карловых Варах, Чехия).
В 1994 г. создал собственную кинокомпанию "Империал-фильм" (с 1997 г. - Bazelevs), занимающуюся производством рекламы и художественных фильмов.
В 2001 г. поставил приключенческий боевик "Гладиатрикс".
В 2004 и 2005 гг. Тимур Бекмамбетов снял фильмы "Ночной дозор" и "Дневной дозор" (оба - в жанре городского фэнтези, по одноименным произведениям Сергея Лукьяненко), которые получили большой успех в прокате, собрав более 33 и 38 млн долларов США соответственно. В 2007 г. другой фильм Бекмамбетова, "Ирония судьбы. Продолжение", превзошел их коммерческий успех, став первой российской кинокартиной, обеспечившей создателям прибыль в размере более 50 млн долларов. Затем снял фильмы "Особо опасен" (США, 2008; в 2009 г. удостоен британской кинопремии "Империя" в номинации "Лучший фантастический фильм"), "Президент Линкольн. Охотник на вампиров" (США, 2012), "Бен-Гур" (США, 2016), "Профиль" (2018; приз зрительских симпатий в рамках программы "Панорама" Берлинского кинофестиваля, Германия) и "Девятаев" (2021, вместе с Сергеем Трофимовым).
В качестве одного из режиссеров участвовал в съемках киноальманахов "Елки" (2010), "Елки 1914" (2014), "Елки - 5" (2016) и "Елки последние" (2018), продюсировал ленты "Елки - 2" (2011), "Елки - 3" (2013), "Елки лохматые" (2015) и "Елки новые" (2017).
Тимур Бекмамбетов снял клипы "Ту-лу-ла" и "Жара" (оба - 2000) российской рок-группы "Чичерина", а также клип Powerless (2012) американской рок-группы Linkin Park.
Выступал в качестве продюсера кинокартин "Черная молния" (2009, режиссеры Александр Войтинский и Дмитрий Киселев), "Выкрутасы" (2010, Леван Габриадзе), "Джентльмены, удачи!" (2012, Александр Баранов и Дмитрий Киселев), "Горько!" (2013, Жора Крыжовников), "Горько! - 2" (2014, Жора Крыжовников), "Самый лучший день" (2015, Жора Крыжовников), "Убрать из друзей" (США, 2015, Леван Габриадзе), "Время первых" (2017, Дмитрий Киселев), "Война токов" (США, 2017, Альфонсо Гомес-Рехон), "Днюха!" (2018, Роман Каримов) и др.
В 2021 г. поставил в Государственном театре наций (Москва) кукольный спектакль "Ходжа Насреддин".
Член Российской академии рекламы (2000).
Основатель и президент международного кинофестиваля экшн-фильмов Astana (проходил в Казахстане в 2010-2012 гг.).
Соучредитель благотворительного фонда "Подсолнух", оказывающего помощь лицам с нарушениями иммунитета (2006).
С 2016 г. вместе с партнерами владеет онлайн-магазином и маркой православной женской одежды "Ксенюшка".
Член наблюдательного совета АНО "Институт развития интернета".
Тимур Бекмамбетов награжден орденом Дружбы (2011).
В 2011 г. удостоен премии "Лучший иностранный режиссер года" от Национальной ассоциации владельцев кинотеатров США (вручена в 2012 г. в рамках отраслевого конгресса CinemaCon в Лас-Вегасе, шт. Невада).
В 2021 г. выпустил книгу "Скринлайф. В поисках нового языка кино" (в соавторстве с Василием Степановым и Константином Шавловским).
Женат третьим браком. Супруга - Наталия Фишман-Бекмамбетова (род. 1990, помощник президента Республики Татарстан на внештатной основе по вопросам общественных пространств, член Общественной палаты РФ). От первого брака - дочь Жанна (род. 1987, художник-мультипликатор).