Сырьем служат листья, которые собирают в период цветения, когда в них бывает до 1,2% масла. В сырье содержатся также сапонины, немного флавоноидов, органические кислоты. Обычно скашивают верхушки побегов, затем после просушки травы листья обмолачивают и отвеивают. Сухие листья тимьяна можно хранить не менее 3 лет.

Главной составной частью тимьянового масла является тимол — кристаллическое вещество со жгучим вкусом и специфическим запахом, обладающее сильным антисептическим действием, благодаря чему его используют в качестве консерванта для фармацевтических препаратов.  Кроме того, в медицине тимол используют для дезинфекции слизистых оболочек рта, зева и глотки, а также для лечения некоторых грибковых заболеваний, в частности грибкового поражения кожи — эпидермофитии. При хирургическом лечении кожи, пораженной актиномикозом (грибковое заболевание), используют масляные растворы тимола. При поражении внутренних органов (особенно легких) его назначают внутрь. Иногда его назначают внутрь при поносах и метеоризме для уменьшения процессов брожения в кишечнике. Тимолом пользуются против глистов (солитеров). Жидкий экстракт из листьев тимьяна входит в состав препарата пертуссина, уменьшающего и смягчающего приступы кашля при коклюше и бронхитах.

В народной медицине используют тимьян ползучий, или чабрец,. и тимьян Маршалла, растущие на песчаных и щебенистых почвах в лесной и лесостепной зонах Европейской части России, Северного Кавказа, Казахстана, Сибири, Забайкалья. Они тоже очень пахучие и содержат эфирное масло.
Надземные неодревесневшие части (трава) этих растений, собранные во время цветения, используют в виде отваров и настоев при различных заболеваниях органов пищеварения, почек и дыхательных путей. Часто применяют настой в качестве отхаркивающего, успокаивающего, обволакивающего и дезинфицирующего средства при катарах верхних дыхательных путей, бронхитах, воспалении легких. Настой готовят из расчета 15 г сырья на 1 стакан кипятка; принимают по 1 столовой ложке 4—5 раз в день. Настой чабреца считается очень хорошим средством для лечения кашля у детей. Его нередко применяют также при пониженной секреции желудочного сока, спазмах кишечника, метеоризме.

Траву тимьяна включают в сбор для ароматических ванн (в равных частях с цветами ромашки, травой лаванды, мяты, розмарина и  корневищами аира). Ванны, компрессы, примочки из настоя, а также травяные подушки применяют в качестве обезболивающего средства при заболеваниях суставов, радикулитах, невритах, миозитах.