Родился 24 октября 1844 года в семье сельского священника Костромской губернии Ивана Егоровича Тихомирова, который отправил старшего сына Дмитрия учиться в Костромское духовное училище. В 1854—1858 годах он учился в духовном училище; затем, два года, на казённом счету, — в Ярославской военной школе. Как лучшего ученика Дмитрия Тихомирова отправили учиться в только что учреждённые учительские курсы в Санкт-Петербурге, а через два года — в Москву, в учительскую семинарию военного ведомства. Первый выпуск из семинарии состоялся в августе 1866 года и Д. И. Тихомиров, получив денежную награду как первый ученик, был оставлен преподавателем «образцовой школы» при семинарии и преподавал в ней около десяти лет. Вскоре вместе с товарищами Тихомиров открыл первую в России вечернюю воскресную школу для взрослых рабочих на фабрике Ф. С. Михайлова в Москве. Стал давать уроки по русскому языку в военной гимназии и во 2-й классической гимназии; как член комитета грамотности, руководил педагогическими курсами по русскому языку для учительниц городских училищ.
Осенью 1869 года познакомился со слушательницей курсов Еленой Николаевной Немчиновой, которая в апреле 1871 года стала его женой. В марте 1870 года избран действительным членом Московского комитета грамотности. Во Владимирской и Тверской губерниях инспектировал две фабричные Морозовские школы. Вместе с женой он организовал «Учебный магазин начальных школ», в котором были изданы около тысячи наименований книг общим тиражом более 15 миллионов экземпляров. В 1872 году Тихомиров в соавторстве с женой издал «Букварь для народных школ», который до 1915 года был переиздан 161 раз. Из своих средств, полученных за издание книг, Тихомиров выделил в 1909 году на строительство школы 20 тысяч рублей и 35 тысяч — на строительство больницы в родном селе Рождествено.
С 1872 года начал читать лекции по методике русского языка на педагогических курсах при Обществе воспитательниц и учительниц. Эти курсы под руководством Тихомирова выросли в многопрофильное учебное заведение, готовившее педагогов младших классов, учителей-предметников, а также руководительниц детских садов. По поручению Московской городской думы в 1874 году разработал подробный план занятий по русскому языку для городских школ и в 1875 году издал отдельной книгой под заглавием «Опыт плана и конспекта элементарных занятий по родному языку». В 1874 году совет Московского благотворительного общества пригласил Тихомирова организатором, а затем и инспектором своих школ. С 1 января 1892 года пожалован чином действительного статского советника. Тихомировым было предпринято издание серии книг под общим заглавием «Библиотека начального учителя», предназначенных для самообразования учителей. Владелец доходного дома на Большой Молчановке, № 18 в Москве.
В 1902 году вместе с женой основал и финансировал Общество попечения о детях народных учителей и учительниц. Принимал участие в работе Московского педагогического общества и других общественных организаций, связанных с образовательной деятельностью. В 1901 и 1905 годах избирался гласным Московской городской думы. Был также гласным Нижегородского губернского и Макарьевского уездного земств. Скончался в 1915 году на даче «Красная горка» в Алуште в Профессорском уголке. Похоронен в Москве в некрополе Новодевичьего монастыря; могилу уничтожили в 1930-е годы. Тихомирова Елена Николаевна (1849 — 1918 гг.) — издатель. В 20 лет, стремясь стать учительницей народной школы, посетила лекции педагога и просветителя Д.И. Тихомирова. Через 2 года они обвенчались. Над составлением образцового «Букваря» работали вместе. Учредила в Москве магазин учебной литературы «Начальная школа», занималась изданием журнала «Детское чтение» (позднее — «Юная Россия»). Тихомировы на свои средства основали образовательные курсы, земскую школу и больницу. Последний выпуск ее журнала напечатан весной 1918 г., ее дальнейшая судьба неизвестна.

Его учебные пособия: «Азбука правописания» (части 1–2, 1870–1877); «Букварь для совместного обучения чтению и письму» (в соавторстве с Е. Н. Тихомировой, 1873) — выдержал 161 издание до 1917 года; «Элементарный курс грамматики для городских и двухклассных училищ» (1873); книги для послебукварного чтения и упражнений по русскому языку «Вешние всходы» (части 1–4, 1896); «Начатки грамматики» (1918); «Правописание до грамматики» (1915); «Школа грамотности» (1899); «Книга для церковно-славянского чтения» (часть 1, 1900).

В. П. Вахтеров Он активно перенял у Тихомирова идею связи обучения с жизнью, развивал мысль о том, что школа должна воспитывать гражданина, и уделял большое внимание методике начального обучения, в том числе родному языку. Н. Ф. Бунаков. Николай Фёдорович Бунаков тоже находился в русле тихомировской традиции: он, как и учитель, делал ставку на развитие умственных способностей детей, на активную роль учителя в образовательном процессе и на необходимость просвещения народа. А. М. Вежлев. Этот исследователь специально занимался анализом наследия Тихомирова — в частности, его деятельности как организатора педагогических курсов и съездов. Вежлев не просто цитировал учителя, а развивал его идеи в своих работах, показывая, как они воплощались на практике.
В советский период идеи Тихомирова в области методики преподавания родного языка нашли отклик в трудах других методистов. Среди них называют П. О. Афанасьева, И. И. Августевич, И. В. Пронину, С. П. Редозубова, Н. К. Снегова.