В 1813 году Тимирязев был назначен адъютантом к Константину Павловичу; в 1814 году был в свите Александра I на Венском конгрессе. В 1816 году получил чин полковника, в 1819 году вышел в отставку, но через восемь лет, чтобы получить согласие на женитьбу, вновь поступил на службу – в лейб-гвардии Гродненский гусарский полк. Как вспоминает его сын Ф. И. Тимирязев, «моя бабушка (графиня. – Авт. )Екатерина Ивановна была женщина необыкновенно умная и энергичная, и она не согласится на брак ея дочери с праздношатающимся человеком, который в лучшую пору сил и способностей ничего не делает и что она вообще, как дочь и жена военных людей, терпеть не может “статских рябчиков”, как она называла людей, носящих партикулярное платье. Для достижения желанной цели отцу пришлось покориться и позаботиться о приискании себе службы. В это время проезжал через Москву начальник главного штаба генерал-адъютант Дибич; он ехал на Кавказ подготовить смену Ермолова и замену его Паскевичем. Отец мой был хорошо известен Дибичу по своей прежней служебной деятельности, и он явился к нему, прося принять его в Кавказский действующий корпус. Дибич посоветовал И. С. Тимирязеву предварительно испросить на это согласие Великого князя Константина Павловича, как бывшего своего начальника. Поэтому Тимирязеву пришлось обратиться к Великому князю, который просил возвратиться на прежнее место службы. Поэтому не оставалось ничего другого, как принять предложение, и в тот же 1827 год после свадьбы, совершенной в Москве, отец и мать моя отправились в Варшаву». В 1828 году по протекции Константина Павловича стал флигель-адъютантом Николая I. За отличие при штурме Варшавы в августе 1831 года был произведён в генерал-майоры с зачислением в свиту Его Величества.

Весной 1834 года был назначен исполняющим должность астраханского военного губернатора и управляющим гражданской частью, в 1835 году утверждён в должности. При нём, 12 декабря 1837 года был открыт в Астрахани «губернский музеум», ещё ранее, 3 июля 1837 года, начали издаваться «Астраханские губернские ведомости»; 19 июня 1838 года состоялось открытие публичной библиотеки. Немало усилий было потрачено на охрану рыбных промыслов, для чего Тимирязев выделил 9 военных судов. Поддержка Тимирязевым торговли с Персией была отмечена в августе 1841 года персидским орденом Льва и Солнца 1-й степени. Для поддержки крестьян были учреждены вспомогательные ссуды для мелкого кредита, расширена сеть запасных магазинов на случай неурожаев. Принимались меры по созданию в деревне медицинских и ветеринарных пунктов, увеличению сети низших школ, пунктов по пропаганде агрономических знаний, а так же гимназию, которую в свое время закончил Илья Ульянов, – отец В. И. Ленина.

И. С. Тимирязев также командовал Астраханским казачьим войском. В связи с этим им принимались меры по благоустройству казачьих станиц. В 1840 году произведён в генерал-лейтенанты.

В связи с нареканиями на якобы неправильные действия И. С. Тимирязева по должности военного губернатора в начале осени 1843 года в Астраханскую губернию внезапно была назначена сенатская ревизия во главе с князем П. П. Гагариным; местное влияние Тимирязева было так велико, что в его присутствии ревизию проводить невозможно и на время проверки, весной 1844 года, его отозвали в Санкт-Петербург, затем последовал указ об отставке его с поста военного губернатора, а в 1845 году его уволили и с военной службы. «В земском суде дела лежали без движения помногу лет, канцелярия губернатора Тимирязева – хаос беспорядков», – докладывали в столицу проверяющие.