Tim Mayer commence à piloter dès 1959, alors qu'il étudiait la littérature anglaise à Yale. Il fait partie d'une petite écurie dirigée par son frère ainé Teddy (fondateur de McLaren avec Bruce McLaren en 1963). Son coéquipier est alors Peter Revson.

En 1960, il achète une Lotus 18 et participe à des courses de Formule Junior. Il monte plusieurs fois sur le podium avant de détruire sa voiture. A partir de l'année suivante, il va piloter une Cooper et en 1962, il remporte le championnat SCCA de Formule Junior.

Grâce à ses belles performances, Tim à l'opportunité de courir, le Grand Prix des Etats-Unis de Formule 1 1962. Au volant d'une Cooper T53 officielle, Tim se qualifie à la onzième place. Après un début de course difficile, il doit abandonner dans le premier tier de la course suite à la casse de sa boîte de vitesses.

En 1963, il participe de nouveau à des courses de Formule Junior dans l'équipe de Ken Tyrrell. Puis il fait équipe avec Bruce McLaren dans le championnat de Formule Tasmane en 1964. Dans le même temps, l'écurie Cooper l'engage pour être son deuxième pilote pour la saison 1964 de F1.

En janvier et février 1964, Tim court donc en Formule Tasmane et après être monté quatre fois sur le podium, il est quatrième du championnat en arrivant à Longford pour la dernière manche. Durant les essais, il perd le contrôle de sa monoplace et percute un arbre. Tim est tué sur le coup, il avait 26 ans.