Дмитрий Тихомиров родился в селе Рождествено Нерехтского уезда Костромской губернии 24 октября 1844 года в семье священника местной церкви отца Иоанна.
«Нашему отцу тоже приходилось крестьянствовать, — вспоминал младший брат Дмитрия Андрей, — то есть наравне со своими прихожанами пахать, сеять, косить, жать, молотить — одним словом, вести обыкновенное крестьянское хозяйство. И через это являлась возможность семье священника жить получше крестьянина, иметь больший достаток. Мы, дети, тоже по мере своих сил участвовали во всех этих работах и даже с большим удовольствием».
Белокурый, не по годам рослый, Дмитрий не только участвовал в крестьянской работе и детских забавах, но и с восьми лет во время богослужений стоял на клиросе, читал Шестопсалмие и Часы. В августе 1854 года он был определен в Костромское духовное училище.
«Во сне иной раз увидишь себя школьником, — признавался Тихомиров в зрелые годы. — Ранним утром идешь в училище, по пути в собор заходишь и на коленях перед чудотворной иконой, на холодной плите храма проливаешь горячие слезы в жаркой молитве, чтобы учитель не вызвал к ответу (хотя ответ и был с полным старанием приготовлен), хотя бы на этот день, только на этот день… Но не дошли, видно, детские слезы, не оправдалась горячая молитва. Вот пришел в класс, вот звонок, вот отворяется дверь, тревожно бьется детское сердце. И кровью обливалось оно — меня вызвали к ответу на середку класса. Страхом скована память, нейдут в голову слова твердо заученного урока».
Отец мечтал, что Дмитрий поступит в духовную семинарию, получит духовный сан и продолжит его пастырское служение. Но денег на образование не было, а тут появилась возможность определить сына на казенный счет в Ярославскую военную школу. После двух лет учебы в ней случай вновь изменил судьбу Дмитрия — его перевели в Петербургские учительские классы, созданные для лучших воспитанников военных училищ. Еще через два года новый перевод — в Москву, в Военную учительскую семинарию.
«Заботливо организованная по заграничным образцам, — вспоминал Тихомиров, — обеспеченная лучшими педагогическими силами, пользуясь свободой в постановке преподавания и воспитания, военная по названию, но чуждая всякой военщины и воинствующая лишь со всяческой казенщиной и рутиной, свободная по духу семинария представляла тогда собой небывало новое и оригинальное учебное заведение в начавшейся тогда новой жизни России».
Именно здесь Дмитрий Иванович выбрал свой дальнейший жизненный путь — служение на ниве народного просвещения. Окончив семинарию первым учеником в 1866 году, когда Россия вошла в эпоху великих экономических, общественных и судебных реформ, он был оставлен преподавать в родном учебном заведении, а также начал педагогическую деятельность в вечерней школе на фабрике Ф. С. Михайлова, во Второй мужской гимназии и на женских учительских курсах. На одну из его лекций случай привел Елену Николаевну Немчинову, внучку начальницы одного из московских институтов. Девушка была очарована ораторским талантом молодого учителя и уговорила его встретиться со своей бабушкой. Тихомиров стал часто бывать у Немчиновых, и в апреле 1871 года они с Еленой поженились.
На втором году семейной жизни Дмитрий Иванович издал свою первую книгу — «Букварь». Она имела невероятный успех и в дореволюционные годы разошлась в ста шестидесяти изданиях общим тиражом свыше четырех миллионов экземпляров (в 1990-х годах переиздания тихомировского «Букваря» возобновились).
Вслед за первой появились и другие книги, имевшие хоть и не столь громадный, но тоже успех в начальной школе: «Азбука правописания», «Элементарный курс грамматики», «Как жить по слову Божию», «Книга для церковно-славянского чтения», «Из истории родной земли». И, конечно, нельзя не вспомнить про составленную Тихомировым самую популярную в народных школах хрестоматию «Вешние всходы».
Кроме того, Дмитрием Ивановичем написано более ста педагогических статей для «Русских ведомостей», «Народной школы», «Русского слова», «Женского дела» и других газет и журналов.
В 1880-х годах супруги Тихомировы занялись издательской деятельностью и открыли в Москве свой книжный магазин «Начальная школа». Небольшие книги и брошюры ценой в три — пять копеек, включавшие в себя рассказы Л. Н. Толстого, Д. Н. Мамина-Сибиряка, Вас. Ив. Немировича-Данченко, И. С. Шмелева, А. С. Серафимовича, имелись почти в каждой русской семье, где были школьники.
Каждую хорошо написанную детскую книгу Тихомиров считал своим праздником. Он упрашивал, чуть ли не заставлял писателей писать для детей, уверенный, что каждый талантливый сочинитель может и должен справиться с этим трудным делом. Полностью отрицая слащавость и нравоучительную жвачку, он одновременно твердо был уверен, что нельзя раскрывать ребенку мрачных сторон жизни, как и развивать в нем воинственные инстинкты. «Он из любви к детям, — подметил Вас. Ив. Немирович-Данченко, — дрожал над их душевной ясностью».
С декабря 1894 года в течение более двадцати лет Тихомиров редактировал популярный журнал «Детское чтение», переименованный в мае 1906 года в «Юную Россию». «Внеклассное чтение, — считал он, — должно главным образом формировать лишь общие понятия и общие руководящие мысли, а самое главное — воспитывающие душу ребенка гуманные впечатления, сумма которых и создаст в душе известные настроения, заложит благородные симпатии и антипатии… Воспитание интереса к знаниям и стремления к обогащению себя ими, воспитание гуманного чувства по отношению к природе и людям и стремление к самоусовершенствованию — вот задачи всякой детской книги, а следовательно, и детского журнала».
Но одним журналом дело не ограничилось, появились и другие периодические издания: «Педагогический листок», «Библиотека детского чтения», «Учительская библиотека». В помещении редакции на Тверской всегда было по-деловому шумно, а по субботним вечерам здесь накрывали стол, за которым собирались на чай писатели, художники, артисты, педагоги. С благодарностью вспоминает Н. Д. Телешов эти посиделки и их устроителей — Тихомировых.
«Они ввели меня, в то время чужака в литературе, в свое редакционное гнездо, где я перевидал большинство известностей того времени и не без пользы переслушал множество серьезных речей и споров, а также шуток, веселых острот и талантливых каламбуров; а остроумная шутка бывает иной раз значительней длинной речи».
Тихомиров был неутомимым тружеником не только в научном и издательском деле, но и в общественном служении. Он состоял инспектором ряда школ, председательствовал на учительских съездах, заседал в Московском комитете грамотности, который, по его словам, служил «не только сборным местом для свободного обмена мыслями по вопросам народного образования и первоначального учения, но был и вольным соборным учреждением, своего рода лабораторией, где вырабатывались и разрешались вопросы народного образования для осуществления этих решений в действительной жизни».
В 1900 году Тихомирова избрали гласным городской думы, и он выполнял депутатские полномочия в течение трех сроков — до 1909 года. В эти и более поздние годы, благодаря наследству жены и капиталам от издательской деятельности, на его пожертвования выстроены на Девичьем Поле здание Педагогических курсов Московского общества воспитательниц и учительниц, за которыми упрочилось имя Тихомировских курсов (ныне здание принадлежит физическому факультету Московского государственного педагогического университета), а в родном селе Рождествено двухэтажная школа и земская больница.
14 октября 1915 года Дмитрий Иванович Тихомиров тихо скончался, окруженный женой, дочерью и внуком. Похоронили его в пяти минутах ходьбы от Тихомировских курсов — на Новодевичьем кладбище. Поэт Иван Белоусов почтил память усопшего искренними стихами, опубликованными в ноябрьском номере журнала «Юная Россия», редактировать который теперь взяла на себя труд вдова Дмитрия Ивановича.