Тимофей Левчук родился 6 января (19 января) 1912 года в селе Быстреевка (ныне — в Бердичевском районе, Житомирская область, Украина).
В 1928—1930 годах учился на школьном отделении Коростышевского педагогического техникума. В 1934 году окончил режиссёрский факультет Киевского института кинематографии (ликвидирован в 1938 году).
С 1935 года — ассистент режиссёра, затем — режиссёр Киевской кинофабрики (ныне Киностудия имени А. Довженко). Работал в группах И. Кавалеридзе («Перекоп», «Колиивщина», «Прометей») и В. Брауна («Голубые дороги»).
Участник войны.
С начала 1950-х годов снимал игровые фильмы на киностудии им. А. Довженко, был режиссёром дубляжа на украинский язык, автором документальных фильмов.
Основная тема творчества — активное утверждение советского образа жизни, гуманизма, интернационализма. Мастеру свойственно стремление к масштабным темам, эпическим формам повествования.
С 1960 года преподавал в Киевском институте театрального искусства им. И. Карпенко-Карого (ныне Киевский национальный университет театра, кино и телевидения имени И. К. Карпенко-Карого) (с 1976 — профессор).
Автор книг о кино.
С 1957 года — председатель Организационного бюро, с 1963 по 1987 — 1-й секретарь правления Союза кинематографистов Украины. Секретарь правления Союза кинематографистов СССР с 1965 года.
Член ВКП(б) с 1942 года. Кандидат в члены ЦК КП Украины с 1973 года. Депутат Верховного Совета Украинской ССР 6—10-го созывов.
Тимофей Левчук умер 14 декабря 1998 года в Киеве. Похоронен на Байковом кладбище.
