Γιος του Ιωάννη Φιλήµονος, μέλους της Φιλικής Εταιρείας, αγωνιστή του ΄21 και γραµµατέα των αδελφών Υψηλάντη, που επίσης έγινε γνωστός για το «Δοκίμιον», έργο αναφοράς για την ιστορία της Φιλικής Εταιρείας. Ο Τιμολέων Φιλήμων γεννήθηκε στην Αθήνα το 1831. Ανακηρύχθηκε διδάκτορας της Νοµικής το 1851 και επιδόθηκε συστηµατικά στη δηµοσιογραφία µε την οποία ήταν εξοικειωµένος, δεδομένου ότι από το 1847 έγραφε στην ιδρυμένη από τον πατέρα του εφημερίδα «Αιών», της οποίας ανέλαβε τη διεύθυνση το 1856.
Το 1863 µετέβη στην Κοπεγχάγη ως γραµµατέας της επιτροπής της Εθνοσυνελεύσεως, η οποία πρόσφερε στον πρίγκιπα Γεώργιο της Δανίας το Ελληνικό στέµµα. Το 1868 και το 1874 εκλέχθηκε βουλευτής Αττικής, Έφορος του Βουλευτηρίου το 1874 έως το 1887 και δηµιουργός της βιβλιοθήκης αυτού. Διετέλεσε Δηµοτικός Σύµβουλος και πρόεδρος του Δηµοτικού Συµβουλίου Αθηναίων το 1876, ενώ το 1887 εκλέχθηκε Δήµαρχος Αθηναίων. Ως Γεν. Γραµµατέας της Επιτροπής των Ολυµπιακών Αγώνων συνετέλεσε στην κατασκευή του Παναθηναϊκού Σταδίου µε τη χορηγία του Γεωργίου Αβέρωφ, καθώς και στην αναγέννηση των Ολυµπιακών αγώνων.
Ο αδ. Τιµολέων Φιλήµων την 27η Σεπτεμβρίου 1895 εκλέγεται Μέγ. Διδ., θέση στην οποία διακρίθηκε για την προσήλωσή του στη ρήση «Η φιλότης ισότητα απεργάζεται», εννοώντας εκείνη την ισότητα η οποία, µέσω της καλώς εννοούµενης φιλαλληλίας, προάγει τα αλληλένδετα με τα τεκτονικά εθνικά δίκαια και συνακόλουθα, την μέσω ειλικρινούς συνεργασίας σφυρηλάτηση της αληθινής για τα έθνη ελευθερίας, χωρίς την οποία είναι ανέφικτη η πραγμάτωση της έννοιας της αδελφότητας. Με πιστή φρόνηση και συνεπής στις Πυθαγόρειες υποθήκες υπηρέτησε τα τεκτονικά ιδεώδη μέχρι τη µετάστασή του στην Αιώνια Ανατολή στις 7 Μαρτίου του 1898.