Né dans une famille originaire de la République démocratique du Congo, Timothée Pembélé effectua ses débuts de footballeur au sein du petit club de l'US Persan. Rapidement repéré par les recruteurs parisiens, il intégra le centre de formation du Paris SG à l'âge de 13 ans, en 2015.

Très prometteur, ce défenseur central, souvent désigné capitaine de ses équipes, fut rapidement bloqué par le club parisien qui lui fit signer à 15 ans son premier contrat professionnel. Fréquemment surclassé au sein du PSG, membre des différentes sélections nationales de jeunes (3ème de la Coupe du Monde U17 en 2019), il effectua ses débuts en L1 face aux Girondins en novembre 2020. Aux côtés de Kimpembe, originaire de la même ville que lui, il délivra une prestation encourageante, malgré un but contre son camp en début de rencontre.

Mais la rude concurrence au sein de l'effectif parisien ne lui laissait que la portion congrue. Alors, il accepta fort logiquement d'être prêté en août 2021 aux Girondins, avec l'espoir de jouer davantage. Ses débuts sur la pelouse du Stade-Vélodrome de Marseille furent mémorables puisqu'il inscrivit un but et permit aux Girondins de ramener un encourageant match nul (2-2).

Hélas le reste de la saison ne fut pas du même acabit. Inconstant, capable de fulgurances comme des pires erreurs de débutant, Timothée Pembélé fut entraîné par le contexte bordelais dans les abîmes. Blessé gravement au genou, il dut se faire opérer et ne participa pas aux dernières rencontres qui scellèrent la relégation des Girondins.

Il réintégra alors l'effectif pléthorique du Paris SG dans l'attente d'avoir réellement sa chance... En 2023, il s'exila du côté de Sunderland pour tenter de faire réellement décoller sa carrière avant de rejoindre Le Havre en septembre 2024.