Родилась в 1903 году в Петербурге, в семье аристократических традиций. В 1923 году сдаёт экзамены в Академию художеств. С 1923 по 1928 годы учится в Государственном художественно-промышленном техникуме на факультете театрально-декоративного искусства у М.П.Бобышева, А.А.Рылова, П.А.Мансурова, а также в Государственном институте художественной культуры (ГИНХУК) в мастерской П.А.Мансурова. В 1928 году вступает в общество «Круг художников», одно из самых радикальных авангардных сообществ, в которое входили Пахомов, Пакулин, Рудаков, Купервассер, Самохвалов, Загоскин, участвует в выставках «Круга» в Русском музее в 1929 и в Киеве в 1930 году. В 1932 году вступает в Союз советских художников, участвует в выставке «Художники РСФСР за 15 лет». С 1932 по 1935 учится на Высших курсах мастерства (в аспирантуре) в Академии художеств в мастерской А.И.Савинова, пишет картину «Купание».В 1935 – 1937 году работает с Д.Е.Загоскиным над панно для комнаты отдыха в Ленинградском дворце пионеров (бывший Аничков дворец). С 1938 по 1941 годы работает в экспериментальной литографской мастерской ЛОСХа, где создаёт ставший знаменитым эстамп «Катюша». После разгрома творческих группировок и объединений ей удалось сохранить свое творческое лицо, создав эквивалент эпохи строительства социализма – детскую серию. В сентябре 1941 года эвакуируется из Ленинграда в Ярославскую область, затем в Сибирь, Среднюю Азию, Удмуртию. В 1943 году переезжает в Москву. Участвует во Всесоюзных художественных выставках (1945 – «Кавалерист-девица Надежда Дурова», 1948 – «Зоя»). Работает в жанре портрета и натюрморта (1956 – 1967), над иллюстрациями к роману А.С.Пушкина «Евгений Онегин» в технике гризайли (1951 – 1954) и в технике цветной литографии (1960 – 1967). Работает в экспериментальной литографской мастерской МОСХа. В 1947 и в 1961 году проведены персональные выставки Л.Тимошенко в Выставочном зале Союза художников СССР (Москва, Кузнецкий мост, 20). В 60-е годы приобрела статус непревзойденного портретиста. Работы раскрепощены по цвету Работа над реконструкцией «Троицы» Андрея Рублёва и воспроизведением её в технике цветной литографии осталась незаконченной.
