Timothy David Olyphant 1968. május 20-án született Honoluluban. Kaliforniában nőtt fel. Hatéves korában kezdett intenzíven úszni, s a későbbiekben számos díjat is nyert. Középiskolai tanulmányait követően a Los Angeles-i Kaliforniai Egyetem képzőművészeti szakára jelentkezett, de félbehagyta a képzést, hogy New Yorkba költözvén teljesen a színészetnek szentelhesse magát. Két évig volt a William Esper Színitanoda hallgatója, majd kisebb Broadway darabokban kapott szereplési lehetőséget. Elnyerte a pályakezdő színészeket bíztató World Theater-díjat is.

A filmvásznon első jelentősebb megnyilvánulása a Mr. és Mrs. Smith (1996) című tévésorozatban volt, majd a Goldie Hawn és Diane Keaton főszereplésével készült Elvált nők klubja (1996) című romantikus vígjáték következett.

Todd Gaines szerepét nyerte el a Nyomás! (1999) című vígjátékban, majd a főszereplők között kapott helyet a Barátságpróba (2000) és a Túl mindenen (2003) című alkotásokban. A főszerepben volt látható a Deadwood (2004) című filmsorozatban és bérgyilkosként a Hitman – A bérgyilkos (2007) című filmben.

Bruce Willis oldalán főszerepet játszott a Die Hard 4.0 – Legdrágább az életed (2007) című akciófilmben, de Henriként helyet kapott A negyedik (2011) című sci-fiben is. Aktuális filmjében, A Snowden fájlokban (2015) Nicolas Cage és Melissa Leo oldalán látható.

Alexis Knieffel kötött 1991-es házasságából három gyermeke született.