Народився й виріс у м. Києві. Закінчив фізико-математичну школу № 145. Навчався в КПІ й Києво-Могилянській Академії, закінчивши які, отримав два магістерські дипломи.
У 1999 році здобув ступінь магістра економіки в Київській школі економіки, а у 2004 році – ступінь PhD з економіки в Університеті Вісконсин-Медісон.
Викладав у Пенсильванському університеті, Університеті Бонна та Університеті Піттсбурга.
Проводить дослідження в галузі теорії ігор, теорії контрактів та інституційного дизайну.
Публікувався в міжнародних наукових журналах, таких як Review of Economic Studies та Journal of Economic Theory.
У 2014 році українська версія журналу Forbes Україна включив Тимофія Милованова до рейтингу «Top Economic Thinkers». У тому ж році став співзасновником аналітичної платформи VoxUkraine.
З 2015 року – заступник редактора академічного журналу Review of Economic Design.
7 липня 2016 року, Милованов був призначений членом Ради Національного банку України, але 3 вересня 2019 – Верховна Рада України звільнила його з цієї посади.
З жовтня 2016 року – заступник Голови Ради Національного банку України,
29 серпня 2019 року призначений міністром розвитку економіки, торгівлі та сільського господарства України. Був на посаді до 4 березня 2020 року.
З 24 грудня 2019 року – у складі Національної інвестиційної ради.
У листопаді 2020 року призначений позаштатним радником А. Єрмака.
21 травня 2021 року, згідно з Указом Президента України № 209/2021 від 21 травня 2021 року, був призначений (за згодою) членом Наглядової ради ДК «Укроборонпром». 1 червня 2021 року одностайним голосуванням обраний головою наглядової ради.