В 1998 году перешел в донецкий "Шахтер", в составе которого провел 326 матчей и забил 39 голов, стал трехкратным чемпионом Украины, обладателем трех Кубков и Суперкубка страны.
В 2007 году полузащитник стал игроком "Зенита". В составе команды Тимощук стал чемпионом России, выиграл Суперкубок России, Кубок и Суперкубок УЕФА. В футболке питерского клуба Анатолий Тимощук провел 100 матчей и забил 18 голов.
1 июля 2009 года футболист заключил контракт с мюнхенской "Баварии", где за четыре года (132 матча, 6 голов) стал двукратным чемпионом Германии, двукратным обладателем Кубка Германии, двух Суперкубков Германии и выиграл Лигу Чемпионов УЕФА.
В составе национальной сборной Украины дебютировал 26 апреля 2000 года в товарищеской игре против Болгарии (1:0). Является рекордсменом по количеству матчей в составе национальной команды, в футболке которой провел 127 игр.
