Родился 31 мая 1893 г. в Москве.

Профессор (1939), член-корреспондент (1946), действительный член АН СССР (1953).

Окончил историко-филологический факультет Московского университета (1917). Своим «определяющим учителем» в годы обучения в университете считал С. В. Бахрушина.

Профессиональная деятельность М. Н. Тихомирова началась с организации в 1918 г. краеведческого музея в г. Дмитрове Московской области. В 1920-е гг. работал в школе и техникумах. С 1934 г. преподавал на историческом факультете Московского университета, где в 1946–1948 гг. был деканом, а с 1953 г. заведовал основанной им кафедрой источниковедения истории СССР. В довоенные годы работал также в Московском институте истории, философии и литературы и в Московском государственном историко-архивном институте. В 1939 г. был утвержден в ученом звании профессора.

С 1935 г. сотрудничал с Академией наук СССР: с Институтом истории, позднее – с Институтом славяноведения. В 1945 г. был введен в редколлегию журнала «Вопросы истории». В 1953–1957 гг. являлся членом Президиума АН СССР и академиком-секретарем Отделения исторических наук. С 1956 г. – председатель возрожденной им Археографической комиссии. На титульном листе издаваемого комиссией «Археографического ежегодника» начиная с 1968 г. значится: «Основан в 1957 г. академиком М. Н. Тихомировым».

Весной 1957 г. выступил в Сорбонне (Франция) с циклом лекций по русской истории XIV–XV вв., получившим высокую оценку президента Практической школы высших исследований, виднейшего представителя знаменитой научной школы «Анналов» Ф. Броделя.

Во время Великой Отечественной войны, находясь в эвакуации (1942–1943), преподавал в Уральском университете. Здесь начал писать книгу «Древняя Москва. XII–XV вв.».

В сферу научных интересов М. Н. Тихомирова входили проблемы отечественной истории X–XIX вв., а также история Византии и славянских народов. Предметами его исследований были экономическая, социально-политическая, культурная история, а также источниковедение, историография, палеография, археография. Главными темами научного творчества М. Н. Тихомирова стали история народных масс и классовой борьбы, история русских городов, международных связей Руси.

Автор более 10 монографий, ряда вузовских и школьных учебников по истории, географии, источниковедению и палеографии. Подвижник музейного и архивного дела, пропагандист учебного кино, популяризатор исторических знаний, убежденный и страстный защитник памятников истории и культуры. Собранная выдающимся ученым драгоценная коллекция рукописей, старопечатных книг и произведений древнерусского искусства была передана им еще при жизни в дар Сибирскому отделению АН СССР.

Награжден орденом Ленина, двумя орденами Трудового Красного Знамени, медалями.