Jest regularnym piłkarzem reprezentacji Ukrainy, a do niedawna był kapitanem Szachtara Donieck. W styczniu 2006 roku, Tymoszczuk był łączony z przeprowadzką na Wyspy Brytyjskie. W prasie pisano, że jego osobą interesują się największe tuzy Premiership: Arsenal Londyn i Manchester United. Obydwa kluby poszukiwały wówczas pomocnika, który załatałby dziurę w zespole przed ważnymi meczami w rozgrywkach Ligi Mistrzów. W tym samym okresie łączono go również z Celtikiem. Ostatecznie piłkarz pozostał w Doniecku.

W sierpniu 2006 roku, Tymoszczuk wraz z Szachtarem dwukrotnie zmierzył się z Legią Warszawa w eliminacjach do Ligi Mistrzów. Szachtar wygrał w pierwszym meczu 1:0, a w rewanżu zwycięstwo 3:2 dało awans Ukraińcom.

27 lutego 2007 roku, kapitan Szachtara przeszedł do rosyjskiego Zenita Sankt Petersburg za 30 milionów dolarów. Już na początku przygody z klubem otrzymał opaskę kapitana.

22 grudnia 2005 roku Anatolij wziął udział w Meczu Przeciwko Ubóstwu, który odbył się na LTU Arena w Düsseldorfie w Niemczech. Wówczas to zespół przyjaciół Zidane'a, w którym grał Tymoszczuk, pokonał drużynę przyjaciół Ronaldo 4:2.

Doświadczony zawodnik wziął udział w Mistrzostwach Świata 2006 w Niemczech, gdzie z zespołem Ukrainy doszedł do przegranego 0:3 ćwierćfinału z Włochami.

29 sierpnia 2008 roku wraz ze swoją drużyną klubową zdobył Superpuchar Europy, pokonując Manchester United 2:1. Na swoim koncie ma również triumf w Pucharze UEFA i jeden tytuł mistrza Rosji.