Родился 24 октября 1844 года в селе Рождествено Нерехтского уезда Костромской губернии в семье священника Иоанна Егоровича Тихомирова. Несмотря на то, что родился в бедной семье в провинциальном захолустье, сумел сделать отличную карьеру, стать богатым, а самое главное - употребить с огромной пользой все свои силы, духовные и физические, на благо народного просвещения.

Два года проучился в Ярославском военном училище. Как лучшего ученика его направили учиться в только что учрежденные учительские курсы в Петербург. Ещё через два года его отправили в Москву в учительскую семинарию военного ведомства.

13 августа 1866 года как первый ученик первого выпуска, получив денежную награду, Д. И. Тихомиров назначается преподавателем "образцовой школы" при семинарии. С этого времени Дмитрий Иванович окончательно поселился в Москве, где прошла его более чем полувековая общественно-педагогическая деятельность.

Вскоре по выходу из семинарии Тихомиров вместе с товарищами организует и открывает первую вечернюю школу для фабричных взрослых рабочих на фабрике Ф.С. Михайлова. В 1870 г. Дмитрий Иванович был рекомендован комитетам грамотности в качестве руководителя летних учительских курсов в городе Ромны. В 1907 г. он вырабатывает устав Общества грамотности.

Д.И. Тихомиров начинает и свою литературную деятельность. Он не только печатает во всевозможных газетах и журналах: « Русское слово», «Русские ведомости», «Народная школа», «Русская мысль» и др., публикуя в них как общие, так и специально-педагогические статьи, но и приобретает в 1894 г. старейший детский журнал «Детское чтение», переименованный им в 1906 г. в «Юную Россию».

С 1872 г. и до конца жизни он читает лекции по методике русского языка на педагогических курсах при обществе воспитательниц и учительниц.

Вместе с женой, Еленой Николаевной Немчиновой, Дмитрий Иванович открывает «Учебный магазин начальных школ», который будет издавать около тысячи наименований книг тиражом более 15 миллионов экземпляров. Полученные деньги Тихомиров вкладывает в свои дела, ссужает деньги всем мало-мальски причастным к просвещению.

В 1872 г. в соавторстве с женой Тихомиров издал «Букварь для народных школ», выдержавший до 1915 г. 161 издание.