Тихомировым была собрана и собственная коллекция древних и старинных рукописей XIV— XIX вв., в которой насчитывалось 650 рукописей и 100 старопечатных книг. Незадолго до смерти учёный подарил её недавно организованному Сибирскому филиалу Академии наук СССР. А свою замечательную библиотеку (около 1000 томов) он завещал самому молодому университету страны — Дальневосточному.

Наряду с собиранием рукописей Тихомиров проводил большую работу по публикации исто­рических источников. С 1959 г. благодаря его усилиям возобновилось издание Полного собрания русских летописей, ответственным редактором которого он стал. Для учебных целей в 1953 г. он издал «Пособие для изучения Русской Правды». Оно включало в себя все известные списки (копии) памятника и богатый исследовательский и спра­вочный материал. Для советской исторической науки того времени это было издание очень высокого научного уровня. Кроме того, Тихомиров совместно с Л.В. Миловым подготовил публикацию памятников славянского права — «Мерило пра­ведное» и «Закон судный людем».

Большая научная заслуга Тихомирова состоит в том, что он выработал тип описания древних рукописей, который стали использовать все иссле­дователи. Он был одним из основателей русской кодикологии — вспомогательной исторической дисциплины, изучающей историю изготовления, состав и судьбу рукописных книг.

Он внёс немалый вклад в развитие методов палеографии — науки, изучающей материал для письма, графику (начертание букв), орнамент, орфографию рукописи, орудия письма, приёмы работы писцов, чернила и краски, переплёты и их историю. Михаил Николаевич был одним из тех, кто стоял у истоков «берестологии»: в начале 50-х гг. он в числе первых расшифровал, перевёл, прокомментировал и подготовил к печати берестя­ные грамоты, обнаруженные при археологических раскопках в Новгороде.

В 1953 г. Тихомиров основал и возглавил кафедру источниковедения (источниковедение — отрасль исторической науки, занимающаяся изу­чением источников) на историческом факультете МГУ. Впервые будущим историкам стали читать полноценный курс источниковедения отечественной истории (вплоть до XX в., а не до середины XIX в., как раньше), а также специальные курсы по вспомогатель­ным историческим дисциплинам. Были подготов­лены и соответствующие учебники.

Много сил отдавал Михаил Николаевич пре­подавательской работе. Десятки замечательных, оригинальных историков нашего времени считают себя принадлежащими к «школе Тихомирова». Он был требовательным и взыскательным наставни­ком; студенты и аспиранты любили его, несмотря на неровный, вспыльчивый, подчас нелёгкий характер учёного. До сих пор старшие поколения учеников Михаила Николаевича вспоминают так называемую «пыточную комнату», или «плакательную», — крохотное помещение в Отделе рукописей Исторического музея, где он «распекал» кого-либо из провинившихся. Сам Тихомиров писал: «Ничто так не мобилизует учёного, как вопросы студентов, их неудовлетворение поверх­ностным или непродуманным ответом, когда, как в сказке Андерсена, если профессор не подготов­лен, с него снимается покров наигранной учёности и „король оказывается голым"». Он был неравно­душным человеком, не прощал неправды, безраз­личия, корыстолюбия, безнравственности.

Научная деятельность Тихомирова получила мировое признание. Он участвовал в международ­ных встречах историков, читал лекции и вёл семинарские занятия в Сорбонне (Париж), перепи­сывался с иностранными учёными. Работы Тихо­мирова переводились на английский, француз­ский, румынский и венгерский языки. Он был действительным членом Польской Академии наук, членом Американской ассоциации историков и, конечно, академиком АН СССР.