Служил в мотострелковых войсках командиром взвода в Группе советских войск в Германии, командиром мотострелковой роты и мотострелкового батальона в Одесском военном округе. С 1979 года служил в Забайкальском военном округе — командир мотострелкового полка, с 1984 года — заместитель командира мотострелковой дивизии. С 1988 года - командир танковой дивизии в в Центральной группе войск на территории Чехословакии, производил её вывод на родину.
Военная служба в РФ
С марта 1992 года — начальник штаба - первый заместитель командующего 14-й общевойсковой армией, дислоцированной в Приднестровье. Соединения армии в этот момент находились в центре приднестровского конфликта. Являлся ближайшим помощником командующего армией генерала А. И. Лебедя, полностью поддержал решительные и жёсткие действия последнего по погашению конфликта.
В мае 1995 года назначен заместителем командующего войсками Северо-Кавказского военного округа по боевой подготовке. По существу, был переведён из одной "горячей точки" в другую, так как именно на руководстве данным округом лежала ответственность за ведение боевых действий в Чеченской республике в период первой чеченской войны 1994-1996. В октябре 1995 года назначен командующим войсками Министерства обороны Российской Федерации в составе Объединённой группировки войск в Чеченской республике. С января по декабрь 1996 года - командующий Объединённой группировкой войск в Чечне. В течение 1996 года войска группировки подвергались нескольким мощным ударам чеченских сепаратистов, неся значительные потери (например, прорыв боевиков в Грозный в марте 1996, разгром военной колонны в мае 1996). В августе 1996 года значительные силы чеченских боевиков скрытно вышли к Грозному и с разных направлений одновременно ворвались в город. Российские воинские, милицейские и иные части были блокированы в местах их расположения с значительными потерями в людях и технике, сам город по существу перешёл под контроль противника (Операция «Джихад»). Сам Тихомиров в это время находился в отпуске, что не снимает с него ответственность за полную неготовность войск к подобному развитию ситуации. После подписания Хасавюртовских соглашений Тихомиров пытался задержать вывод российских войск из Чечни до полного обмена пленными.
С марта 1997 года - начальник штаба Уральского военного округа. В декабре 1999 года назначен командующим войсками Уральского военного округа, однако командовал округом менее месяца. В январе 2000 года Указом Президента Российской Федерации В. В. Путина назначен Главнокомандующим внутренними войсками МВД Российской Федерации - первым заместителем Министра внутренних дел Российской Федерации. Провёл значительную работу по усилению и перевооружению внутренних войск, предложил план их реорганизации (впоследствии реализован). Многократно был в Чеченской республике в период второй чеченской войны. Воинское звание генерал армии присвоено указом Президента Российской Федерации от 6 ноября 2002 года.
В июле 2004 года освобожден от занимаемой должности вместе с начальником Генерального Штаба Вооружённых Сил Российской Федерации А. В. Квашниным и рядом других высокопоставленных генералов. Причиной отставки называли бездействие внутренних войск при прорыве чеченских боевиков в Ингушетию (см. Рейд на Ингушетию (2004). Сам В. В. Тихомиров категорически не согласился с подобными обвинениями и в знак протеста подал рапорт об увольнении с военной службы, который был немедленно удовлетворён.
Живёт в Москве. Женат, двое детей (сын-офицер погиб в бою в период первой чеченской войны 1994-1996).
