Фамилия Тимошенк — один из тех случаев, когда написание не совпадает с привычной для русского уха моделью. В большинстве русских фамилий на -енко ударение падает на последний слог (Тимошенко́), а окончание — «о». Вариант «Тимошенк» без гласной на конце — это либо украинская орфографическая форма (в украинском языке фамилии на -енко не склоняются, но на письме могут передаваться без конечного -о в русской транскрипции), либо результат бытового сокращения, либо, что реже, запись фамилии в именительном падеже в документах, где исходная форма была искажена.

Основа фамилии прозрачна: крестильное имя Тимофей (от греческого «почитающий Бога»). В украинской традиции от него образовали уменьшительную форму Тимош, а далее — патронимический суффикс -енко, который буквально означал «маленький», «сын» или «потомок». Таким образом, Тимошенк — это «сын Тимоша» (внук или потомок Тимофея). Модель типична для Поднепровья и Левобережной Украины: в XVII–XVIII веках казацкая старшина и крестьяне массово получали фамилии на -енко, которые закрепились как наследственные.

В отличие от фамилий на -ов/-ин, Тимошенк не указывает на принадлежность к конкретному помещику или роду — это скорее указание на родство по отцу. Носители такой фамилии в XIX веке чаще всего были государственными крестьянами или казаками, реже — мещанами. Дворянских родов с такой фамилией почти не встречается, что объясняется её простонародным происхождением: суффикс -енко в Российской империи считался «малороссийским» и не использовался в официальных родословных книгах высшего сословия.

Географически фамилия распространена по всей Украине, но особенно плотно — в Полтавской, Черниговской и Киевской областях. В России Тимошенк встречается реже, часто как след миграции XX века. Спорных версий происхождения у этой фамилии практически нет: корень и суффикс однозначны, а альтернативные гипотезы (например, от диалектного «тимош» — ленивый) не подтверждаются ономастическими словарями.