Знакомство с академией у К.А. Тимирязева состоялось осенью 1867 года, когда по пути домой в Санкт-Петербург после командировки в Симбирской губернии, где в имении князя Н.Н. Ухтомского Репьёвка-Крутец он проводил опыты по применению минеральных удобрений, он встретился с профессором химии П.А. Ильенковым, кстати, тоже выпускником alma mater Климента Аркадьевича. Тимирязев передал тому письмо Д.И. Менделеева, хорошо знавшего Павла Антоновича. Не знал он тогда, что пройдет не так уж много времени, и он будет здесь работать 22 года (1870-1892), и уж совсем не ведал, что академию назовут его именем!
К подбору преподавательского состава в новом вузе - Петровской лесной и земледельческой академии, открывшейся в 1865 году, подходили со всем тщанием, стремясь найти золотую середину в соотношении опытных авторитетных кадров и молодых перспективных учёных. В 1869 году тяжело заболел первый директор вуза профессор Н.И. Железнов, читавший курс ботаники. Он был вынужден оставить академию, и студенты крупнейшего аграрного вуза России остались без изучения одного из основных предметов учебного плана. 22 ноября 1869 года 14 голосами «за» и двумя «против» на Учёном Совете академии по предложению её нового директора профессора П.А. Ильенкова на должность преподавателя ботаники был избран К.А. Тимирязев. Случай был уникальный: проголосовали за мало кому известного 26-летнего выпускника Санкт-Петербургского университета, не имевшего права читать лекции (он ещё не защитил магистерскую диссертацию), находившегося в то время за границей и лично не присутствовавшего на Совете. Правда, Климент Аркадьевич как учёный подавал большие надежды, он блестяще окончил естественное отделение физико-математического факультета Санкт-Петербургского университета, ещё на III-ем курсе получил Золотую медаль за сочинение «О печёночных мхах» и у него были прекрасные рекомендации его учителей - профессоров Д.И. Менделеева и А.Н. Бекетова.
Во время заграничной командировки в Гейдельбергском университете в Германии Тимирязев в 1868 году опубликовал свою первую научную статью и получил положительные отчёты о своей работе от тамошних профессоров Р. Бунзена и Г. Кирхгофа, выдающихся учёных, открывших явление спектрального анализа.
8 сентября 1870 года К.А. Тимирязев приступил к преподавательской деятельности на кафедре ботаники и физиологии растений Петровской земледельческой и лесной академии. Здесь им были подготовлены магистерская («Спектральный анализ хлорофилла») и докторская («Об усвоении света растением») диссертации, написано около 60 научных статей, которые вошли в сборники “Солнце, жизнь и хлорофилл”, “Земледелие и физиология растений”, знаменитую «Жизнь растения» и создал всемирно известную тимирязевскую научную школу физиологии растений.
В 1890 году по политическим причинам приём в академию был прекращен, 1 февраля 1892 года Климент Аркадьевич принял экзамен по физиологии растений у студентов II курса и попрощался с вузом. Когда в 1894 году на месте прежней академии был основано новое высшее учебное заведение – Московский сельскохозяйственный институт, то решением императора Александр III все прежние профессоры академии были лишены право работы в МСХИ.