Дмитрий Тихомиров родился в семье сельского священника в Костромской губернии. Его отец отправил его учиться в Костромское духовное училище, где он учился с 1854 по 1858 год. Затем он поступил в Ярославскую военную школу на два года. Благодаря своему успеху, Дмитрия отправили учиться в учительские курсы в Санкт-Петербурге, а через два года он поступил в учительскую семинарию в Москве. После окончания семинарии в августе 1866 года, он получил денежную награду как первый ученик и был оставлен преподавателем в "образцовой школе" при семинарии, где преподавал около десяти лет.
Совместно с коллегами, Тихомиров основал первую в России вечернюю воскресную школу для рабочих на фабрике Ф. С. Михайлова в Москве. Он вел уроки по русскому языку в военной и 2-й классической гимназиях, руководил педагогическими курсами для учительниц городских училищ, а также стал членом Московского комитета грамотности. В 1869 году он познакомился со слушательницей курсов Еленой Николаевной Немчиновой, которая впоследствии стала его женой. Тихомиров также инспектировал две фабричные Морозовские школы во Владимирской и Тверской губерниях, и руководил учительскими съездами и летними учительскими курсами в разных губерниях. Он также наблюдал за учебной частью по заведениям дамского попечительства о бедных.
Вместе с супругой он основал "Учебный магазин начальных школ", который планирует выпустить около тысячи различных книг с тиражом более 15 миллионов экземпляров. В 1872 году Тихомиров и его жена опубликовали "Букварь для народных школ", который был переиздан 161 раз до 1915 года. Используя прибыль от продажи книг, в 1909 году Тихомиров выделил 20 тысяч рублей на строительство школы и 35 тысяч на строительство больницы в своем родном селе Рождествено.
С 1872 года он начал преподавать методику русского языка на педагогических курсах, организованных обществом воспитательниц и учительниц. Под его руководством эти курсы стали многопрофильным учебным заведением, где готовили педагогов младших классов, учителей-предметников и руководительниц детских садов. Он также сделал пожертвование в размере 200 тысяч рублей на постройку здания курсов в Москве, которые позже получили название "тихомировские".
В 1874 году Тихомиров был приглашен советом Московского благотворительного общества для работы в качестве организатора, а затем инспектора их школ. С 1 января 1892 года он был назначен на должность действительного статского советника.
Д. И. Тихомиров был активным автором, публиковавшим свои работы в различных изданиях, таких как "Русское слово", "Русские ведомости", "Народная школа", "Русская мысль" и другие. В 1894 году он приобрел старейший детский журнал "Детское чтение", который в 1906 году был переименован им в "Юную Россию". В этом журнале публиковались лучшие произведения, выходившие затем в отдельных книжках под названием "Библиотека детского чтения". Также Тихомиров занимался изданием серии книг для начальных учителей под названием "Библиотека начального учителя", предназначенных для их самообразования. Кроме того, в 1898 году он начал выпускать приложение к журналу под названием "Педагогический листок", выходившее 4 раза в год, а с 1899 года этот материал стал издаваться в формате самостоятельного журнала, 8 книг в год.
Он владел домом на Большой Молчановке (№ 18) в Москве, который приносил ему стабильный доход.
В 1902 году был одним из основателей и спонсоров Общества попечения о детях народных учителей и учительниц, совместно с супругой. Активно участвовал в деятельности Московского педагогического общества и других общественных организаций, связанных с образовательными программами. Был избран гласным Московской городской думы в 1901 и 1905 годах. Также занимал должности гласного Нижегородского губернского и Макарьевского уездного земств.
В начале двадцатого века он был награжден золотой медалью за свою активную работу на Всемирной выставке в Париже.
Среди наград Д. И. Тихомирова были орден Святого Станислава 1-й степени (1900 г.), орден Святой Анны 2-й степени (1885 г.) и орден Святого Владимира 3-й степени (1896 г.).
Похоронен в Москве на Новодевичьем кладбище, но его могилу уничтожили в 1930-е годы.
