В 1933–1937 гг. Тимошенко был заместителем командующего войсками Белорусского, а затем – Киевского военных округов. С 1937 по 1939 г. командовал войсками Северо-Кавказского, Харьковского, Киевского военных округов. 8 февраля 1938 г. Тимошенко было присвоено воинское звание «командарм 1-го ранга».

В войне с Финляндией был командующим Северо-Западным фронтом, войска которого после затяжных боев осуществили прорыв линии Маннергейма. 21 марта 1940 г. за «образцовое выполнение заданий командования и проявленные при этом отвагу и геройство» Тимошенко было присвоено звание Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина и медали «Золотая Звезда».

7 мая 1940 г. Тимошенко получил назначение на высшую военную должность СССР – он стал народным комиссаром обороны. Ему также в этот же день было присвоено и высшее воинское звание – Маршал Советского Союза. Перед началом Великой Отечественной войны занимался совершенствованием боевой подготовки Красной армии, ее техническим переоснащением.

23 декабря 1940 г. приступило к работе расширенное заседание Главного военного совета, которое открыл С. К. Тимошенко. Среди выступавших были начальник Генерального штаба генерал армии К. А. Мерецков («Итоги и задачи боевой подготовки Красной армии и оперативной подготовки высшего начальствующего состава»); Г. К. Жуков («Характер современной наступательной операции»); Д. Г. Павлов («Использование механизированных соединений в современной наступательной операции»); П. В. Рычагов («Военно-воздушные силы в наступательной операции в борьбе за господство в воздухе») и другие. Сам нарком обороны Тимошенко выступил 31 декабря с заключительной речью, в которой сформулировал три основных вывода. В первом из них говорилось, что в возможном вооруженном столкновении Советскому Союзу придется сражаться с коалицией государств, а потому необходима мощная военная экономика и готовность всего народа защищать Родину. Во втором выводе Тимошенко подчеркивал, что главным способом ведения боевых действий должно быть наступление, которое является действенным инструментом для достижения победы. Поэтому необходимо своевременное и взаимосвязанное применение всех видов вооруженных сил и родов войск, прежде всего механизированных и авиационных соединений. При этом, как отметил Тимошенко, важнейшими формами стратегических действий правомерно считать фронтальный удар, двусторонний охват, отсекающий фланговый удар. В своем третьем выводе нарком не мог не уделить внимания собственно обороне, упорной и активной, способной противостоять массированным танковым ударам врага, как в тактической, так и в оперативных инстанциях. Тимошенко сказал следующее: «Вывод о кризисе современной обороны не обоснован. Успех немецких войск на Западе был обусловлен тем, что они не встретили должного отпора, который мог бы быть им оказан при надлежащем использовании противником существующих средств обороны (механизации оборонительных работ, разнообразного арсенала инженерных средств, мощных огневых противотанковых средств)». Помимо этого, в заключительной речи наркома были приведены нормативы плотности сил и средств, даны рекомендации по наиболее целесообразному их использованию в различных условиях, обсуждались варианты наступления. Насколько правильно Тимошенко сформулировал положения, следуя которым Советский Союз менее чем через полгода вступил в мировую войну? Спорить с мнением наркома было чревато неприятностями, но отдельные выводы, сделанные Тимошенко, многие командиры уже в начале следующего, рокового 1941 г. оспаривали в кулуарных разговорах.