Родился 12 января 1952 года в деревне Покровское Шекснинского района Вологодской области. Закончив школу в Череповце, в 1969 году начал работать учеником электрослесаря, а вскоре — и электрослесарем в центральной заводской лаборатории (ЦЗЛ) Череповецкого металлургического завода. В 1970 году был призван на службу в армию, после прохождения которой в 1972 году вернулся в ЦЗЛ, где работал электрослесарем, а впоследствии — мастером и инженером. В 1979 году закончил Северо-Западный заочный политехнический институт по специальности «инженер-электрик». С 1979 года занимается партийной работой, сначала в ВЛКСМ, а вскоре — в череповецком горкоме и вологодском обкоме. С сентября 1991 года по июнь 1996 года работал директором строящейся гостиницы ОАО «Северсталь», а с июня 1996 года по декабрь 2001 года — директором по кадрам ОАО «Северсталь». С февраля 1996 года стабильно избирается депутатом Законодательного Собрания Вологодской области, а с декабря 2001 года окончательно посвящает себя депутатской деятельности, занимая должность председателя Законодательного собрания.
Политическую карьеру начал с комсомольской работы на Череповецком металлургическом комбинате. В 1979 году избран заместителем секретаря, а вскоре и секретарём комитета ВЛКСМ металлургического комбината. В ноябре 1981 года стал заместителем секретаря парткома металлургического комбината, затем — вторым секретарём, и наконец — первым секретарём Индустриального райкома КПСС Череповца. В марте 1987 года избран вторым секретарем Череповецкого горкома КПСС и уже в апреле 1988 года переведен на работу в Вологодский областной комитет КПСС на пост заведующего отделом металлургической и химической промышленности. В ноябре 1988 года избран вторым, а в июне 1989 года — первым секретарем Череповецкого горкома КПСС. После августовского путча вышел из КПСС и работал на ОАО «Северсталь». С февраля 1996 года избирался депутатом Законодательного Собрания Вологодской области:
Будучи депутатом занимал в Законодательном собрании следующие посты:
Является членом партии «Единая Россия». В ноябре 2008 года был избран секретарём регионального политического совета Вологодского отделения партии. В июне 2011 года стал членом координационного совета Общероссийского народного фронта по Вологодской области. 7 декабря 2011 года подал в отставку с поста секретаря областного политсовета «Единой России». Своё решение мотивировал низкими результатами «Единой России» на выборах в Государственную думу (33,4 %) и Законодательное Собрание Вологодской области (34,48 %).
В декабре 2011 года, после отставки В.Е. Позгалёва, Николай Тихомиров рассматривался в качестве кандидата на пост губернатора области.
15 февраля 2012 года губернатор Вологодской области Олег Кувшинников сообщил о назначении Тихомирова в Совет Федерации.