По возвращении в Москву Тихомиров преподавал физическую и экономическую географию и историю на Едином художественном рабфаке ВХУТЕМАС (1923–1925), в средней московской школе № 48 и в организованном при ней химическом техникуме (1925–1931), в книжном политехникуме (1931–1934), работал в области учебного кино. С конца 1920-х гг., фактически «на общественных началах», Тихомиров сотрудничал с ОР ГИМ, занимаясь описанием книжных и рукописных собраний, исследованием летописных памятников (в 1940 г. возглавил отдел). В сентябре 1930 г. Тихомиров был арестован в связи со следствием по фальсифицированному ОГПУ «академическому делу» и два месяца провел в Бутырской тюрьме. В 1937 г. был арестован и расстрелян младший брат Тихомирова, тоже известный историк Борис Николаевич Тихомиров.

Когда были восстановлены исторические факультеты в университетах, Тихомирова одним из первых привлекли к преподаванию в МГУ. С 1934 г. доцент, а затем профессор исторического факультета университета (в 1946–1948 гг. декан, с 1952 по 1965 г. заведующий им же впервые организованной кафедрой источниковедения истории СССР). Одновременно читал лекции и вел семинары по источниковедению в МИФЛИ (1938–1941) и МГИАИ. Его курс лекций по источниковедению русской истории до XVIII в. включительно впервые в виде учебника был опубликован в 1940 г.

В 1935 г. Тихомиров был утвержден ВАК в ученой степени кандидата исторических наук без защиты диссертации. В 1939 г. в Институте истории АН СССР состоялась защита докторской диссертации на тему «Исследование о „Русской правде“». Работа находилась в тесной связи с начавшейся тогда же подготовкой академического издания этого памятника. В 1940 г. Тихомиров был удостоен звания профессора.

С 1935 г. основная научно-исследовательская и организационная деятельность Тихомирова сосредоточилась в АН СССР. С 1935 по 1957 г. он работал в Институте истории, с 1957 по 1965 г. – в Институте славяноведения АН СССР в должности старшего научного сотрудника. 4 декабря 1946 г. Тихомиров был избран членом-корреспондентом по Отделению истории и философии, а 23 октября 1953 г. – академиком по Отделению исторических наук АН СССР. В 1953–1957 гг. он являлся академиком-секретарем, а с 1957 г. – членом Бюро Отделения исторических наук АН СССР; с 1956 по 1965 г. – бессменным председателем вновь воссозданной им Археографической комиссии АН СССР.

Тихомиров входил в состав редакционных коллегий журналов «Вопросы истории» (1945–1949, 1953–1957), многотомных «Очерков истории СССР» (1956–1960), «Всемирной истории» (с 1953 г.), «Очерков истории исторической науки в СССР», серии «Памятники средневековой истории народов Центральной и Восточной Европы» (1957–1965), был главным редактором «Археографического ежегодника» (1956–1965), членом Национального комитета историков Советского Союза (1953–1965), читал лекции в Сорбонне (1957), участвовал в Международном конгрессе исторических наук в Стокгольме (1960).

Автор фундаментальных исследований по истории древней и средневековой Руси, истории славянских стран и Византии, источниковедению, исторической географии, историографии, палеографии, археографии, архивоведению, краеведению, музейному делу, истории культуры. Внес значительный вклад в изучение социально-экономической, политической и бытовой истории древнерусского города (в особенности – Москвы), народных движений в России XI–XVII вв., истории государственных учреждений и приказного делопроизводства XVI–XVII вв.

С Лихачевым Тихомирова сближали обоюдный интерес к истории, сохранению культурной традиции в самом широком ее понимании и, в особенности, к проблемам сохранения, описания и публикации рукописного наследия славянских народов, организация публикаций фундаментальных источников по отечественной истории, в особенности возобновление ПСРЛ, выпуск «Археографического ежегодника», проведение совещаний по проблемам археографии, организация полевых археографических экспедиций, начало работ по созданию сводного каталога уникальных рукописей, хранящихся в СССР. Когда Тихомиров возглавил Археографическую комиссию, к ее работе он призвал многих выдающихся археографов, историков и филологов, и одним из первых, к кому он обратился, был Лихачев.

Отношения Тихомирова и Лихачева не всегда были ровными и определялись не только личным темпераментом, но зачастую и внешними обстоятельствами, в которых приходилось работать советским историкам и филологам. Но взаимоуважение и ответственность перед будущим отечественной науки и культуры присущи были им обоим в полной мере. Бесценный дар Тихомирова – его уникальное собрание рукописей и памятников искусства, переданное согласно завещанию в Новосибирск, во многом определил пути развития сибирской археографии и послужил, по словам Лихачева, твердым фундаментом будущему «археографическому открытию» Сибири.

Публикуемые письма Лихачева Тихомирову ранее уже отчасти были предметом исследования в работах Е. В. Чистяковой и в особенности С. О. Шмидта, посвященных Тихомирову, Лихачеву и истории отечественной археографии.

Глубокоуважаемый Михаил Николаевич!

Рукописное отделение Публичной библиотеки отправило Вам просьбу о высылке для меня в Ленинград трех сборников XVII века. Сборники эти нужны мне на короткий срок (не более 2-х недель). Выехать в Москву для работы в Историческом Музее мне было бы трудно (в Москве мне не у кого остановиться).