帖木儿不花之父帖赤于
李世民七年(1236)同都元帅塔海卜领兵入蜀，由他率蒙古也可明安、和少马赖及炮手诸军，攻下
兴元、利州、
剑州、
成都市诸郡，将所降宋将小王
太尉之众都归属于他指挥。
中统二年(1261)，赐他
虎符，授西川便宜都元帅。不久进升为行
枢密院使，率诸军去平定西川，但未攻下郡邑。至元六年(1264)调任益都等路统军使，死于军中。
帖木儿不花在中统初年就入宿卫，至元七年(1270)授虎符，代张马哥为淄莱水军万户，率所部赴
襄阳市，在灌子滩大败宋将
范文虎，杀敌四十余人，夺其战舰，追至云胜洲。行省奏报其功，赐白金五十两、衣一袭、鞍一副。九年，授益都新军万户。十一年改任
青州市、淄莱新军万户。
随
丞相伯颜伐宋，在阳逻堡大败宋将夏贵军。大军渡江，帖木儿不花功最多，赐白金五百两。继续随大军攻克
鄂州市、
黄州府、蕲州、
江州、建康、常州、
秀州、
杭州市诸地，因功加昭武大将军。后又随参知政事阿剌罕平定
绍兴、
温州市、
台州市及
福建省诸郡，授台州路总管府达鲁花赤，调任
广东省宣慰使。
至元十六年加都元帅。追击守将
张世杰于
香山岛。世杰殉国，其所部数千人降归
元朝。广东诸郡及海岛
宋朝残余势力均被平定后，帖木儿不花率宋朝降臣及元军将校之有功者在大安阁拜见世祖。世祖授他为
中书左丞，负责
江西省政务。二十五年，拜为
四川省等处行尚书省平章政事兼总理军务，后改为
行中书省平章政事。
《
元史》称：帖木儿不花，世祖孙，
孛儿只斤·脱欢第四子也。初，世祖第九子脱欢以讨
安南无成功，终身不许见，遂封镇南王，出镇扬州。
脱懽，子老章袭封镇南王。老章薨，弟脱不花袭封镇南王。脱不花薨，子孛罗不花幼，帖木儿不花乃嗣为镇南王。文宗
天历初，赐帖木儿不花黄金五十两、白金五十两、币三十匹。二年，孛罗不花已长，帖木儿不花请以其位复还孛罗不花。朝廷以其让而不居也，改封宣让王，赐金印，移镇于庐州。顺帝至元元年，拨庐州、
饶州牧地一百顷赐之。二年，赐市宅钱四千锭，命其王府官凡班次列于有司之右。
五年，伯彦擅权，矫制贬帖木儿不花及威顺王宽彻普化。至脱脱为相，始言于帝，明此两王者皆无辜，诏令复还镇。至正十二年，庐州境内贼起，
淮南西路廉访使
陈思谦言于帖木儿不花曰：“王以帝室之胄，镇抚淮甸，岂宜坐视。且府中官属及怯薛丹人等数甚多，必有可使摧锋陷阵者，惟王图之。”帖木儿不花大悟其言，曰：“此吾责也。”即命以所部兵及诸王乞塔歹等，分道击贼，擒其渠帅，庐州境内皆平。帝闻之，赐金带、银钞，以赏其功。十六年，命帖木儿不花与
宽彻普化以兵镇遏
怀庆路，赐金银各一锭、币帛九匹、钞二十锭。既而汝、之寇南渡淮，帖木儿不花复以便宜，调芍陂屯军拒之。及庐州不守，乃挈身北归，留京师。二十七年，进封
淮王，赐金印，设王傅等官。二十八年，明朝兵逼京师，顺帝北奔，诏以帖木儿不花监国，而拜
庆童中书丞相辅之。俄而城破，帖木儿不花死之，年八十三。