Анатолий Тимощук родился в украинском Луцке и начал футбольную карьеру в местной «Волыни» (67 матчей, 8 голов). В 1998 году перешел в донецкий «Шахтер», в составе которого провел 326 матчей и забил 39 голов, стал трехкратным чемпионом Украины, обладателем трех Кубков и Суперкубка страны.
В 2007 году полузащитник стал игроком «Зенита». В составе команды Тимощук стал чемпионом России, выиграл Суперкубок России, Кубок и Суперкубок УЕФА.
1 июля 2009 года заключил контракт с мюнхенской «Баварией», где за четыре года (132 матча, 6 голов) стал двукратным чемпионом Германии, двукратным обладателем Кубка Германии, двух Суперкубков Германии и выиграл Лигу чемпионов УЕФА.
В составе национальной сборной Украины дебютировал 26 апреля 2000 года в товарищеской игре против Болгарии (1:0). Является рекордсменом по количеству матчей в составе национальной команды.
Анатолий Тимощук выступает на позиции опорного полузащитника. За спортивные достижения на внутренней и международной арене присвоено звание заслуженного мастера спорта Украины (2005 г.) и России (2008 г.).
В «Зенит» вернулся в начале июня 2013 года.
