Sa fascination pour le cinéma commence très tôt, dès l’âge de 12 ans, Tim Story réalise ses premiers films avec la caméra 8 mm de son frère, dont les vedettes sont ces amis et sa famille. Mais une fois au lycée il se tourne vers la musique et plus particulièrement le rap qu’il compose avec Ice T Rhyme Syndicate.

Sur le point de signer un contrat avec la Warner Bros, un gang ennemi de son quartier fait abattre l’un des membres de son groupe de rap, ce qui met fin à sa carrière. Il décide alors de revenir à son premier amour en suivant les cours de la prestigieuse Westchester High School de Los Angeles aux côtés du pianiste de jazz Eric Reed et des comédiennes Nia Long et Regina King. Son diplôme de l’école de cinéma USC en poche, il commence à produire divers spectacles et comédies musicales.

C’est en 1997 qu’il entame la réalisation de son premier film, un moyen métrage dramatique intitulé One of Us Tripped, bientôt suivi de The Firing Squad. Connu pour les clips qu'il a mis en scène, notamment pour R Kelly et le groupe N'Sync, il réalise en 2002 son premier long métrage, pour un grand studio, avec la comédie Barbershop,où il met ainsi en vedette Ice Cube et signe l'un des succès surprise de l'année 2002 aux Etats-Unis, en étant nominé meilleur réalisateur au Black Reel Awards.

Il persiste dans le registre comique en 2004 en adaptant la version américaine du Taxi de Luc Besson, lui-même producteur via Europacorp. A l'écran, New York taxi réunit Queen Latifah et Jimmy Fallon pour une mission survoltée dans Manhattan. En 2005, bien que Steven Soderbergh et Chris Columbus aient été pressentis, la Fox lui confie la réalisation des 4 Fantastiques, l'adaptation des aventures des super-héros de Marvel, ce qui lui vaut une nomination au NAACP Image Award. Deux ans plus tard, il retrouve Ioan Gruffudd et Jessica Alba, en adaptant leur seconde épopée sur grand écran dans Les 4 Fantastiques et le Surfer d'Argent.

Après cette escapade super-héroïque, Tim Story réalise le drame sportif Hurricane Season (2009) porté par Forest Whitaker, puis le lucratif Think Like a Man, film basé sur le bestseller du comédien Steve Harvey auquel il donne une suite deux ans plus tard avec Think Like a Man Too. En 2014, il retrouve Ice Cube pour le buddy movie Mise à l’épreuve qui lui aussi s'avère être une affaire très rentable sur le sol américain. D'où une suite prévue pour 2016.