Образование — слушал курс физико-математического факультета химического отделения Московского университета, работал в технической лаборатории Московского университета и в Киевском университете в лаборатории профессора Н. А. Бунге, читал популярные лекции по производствам «питательных и вкусовых веществ».
Избрав профессию химика, успешно применял свои знания в различных областях промышленности, сначала в качестве помощника директора на суконной фабрике товарищества братьев Бабкиных, а затем в области сахарного производства, работая главным химиком над всеми свеклосахарными и рафинадными заводами братьев Терещенко.
Широкое применение в стране и за рубежом нашли придуманные Н. И. Тихомировым фильтры с автоматической промывкой фильтрующего материала для сахарных, винокуренных, маслобойных и других заводов.
Тихомиров предлагал использовать для движения ракеты реакцию газов при сгорании легко воспламеняющихся жидкостей или взрывчатых веществ в сочетании с эжектируемой воздушной средой.
Охранное свидетельство на изобретение за № 309 было выдано автору в 1915 году. Положительное заключение было подписано в 1916 году Н. Е. Жуковским (бывшим в то время Председателем отдела изобретений Московского военнопромышленного комитета). Изобретение было подвергнуто новым экспертизам, и в начале 1921 года признано имеющим важное оборонное значение.
В 1921 по предложению Тихомирова была создана лаборатория для разработки «самодвижущихся мин» — впоследствии Газодинамической лаборатории (ГДЛ). Деятельность этой лаборатории направлена на создание ракетных снарядов на бездымном порохе.
Применявшийся в то время в ракетах чёрный дымный порох не обеспечивал требуемых характеристик по дальности и стабильному полету ракеты, поэтому специалисты лаборатории разработали бездымный пироксилиновый порох на нелетучем растворителе — тротиле, отличающийся мощным и стабильным горением. Шашки из бездымного пироксилино-тротилового пороха (ПТП) горели стабильно и с достаточно сильным газообразованием.
Умер 28 марта 1930 года в Ленинграде. Похоронен в Москве, на Ваганьковском кладбище.