Фамилия Тихомирнов образована по редкой, но выразительной модели: от полного славянского двусоставного имени Тихомир с помощью суффикса -н- и стандартного патронимического окончания -ов. Это не просто «сын Тихомира», а «сын Тихомирна» — то есть человека, которого в быту или документах могли называть усечённой формой Тихомирн. Такая цепочка встречается нечасто: обычно от имён на -мир образовывали фамилии напрямую через -ов (Тихомиров) или через -ский (Тихомирский). Вариант с суффиксом -н- указывает на то, что предок носителя фамилии мог быть записан в переписи как Тихомирн — либо из-за местного говора, либо по ошибке писаря.

Само имя Тихомир — типичное для домонгольской Руси славянское имя-оберег. Оно составлено из двух основ: «тихо» (мирный, спокойный) и «мир» (в значении «вселенная» или «община, договор»). Буквально — «умиротворяющий, несущий покой». В отличие от княжеских имён на -слав и -волод, Тихомир было мирским, бытовым именем, которое давали человеку, чтобы он рос неконфликтным и ладил с окружающими.

Вероятная география фамилии — северные и центральные области России, где двусоставные имена без церковного календаря держались дольше всего. В новгородских и псковских писцовых книгах XV–XVI веков встречаются Тихомиры, Тихомирки и Тихомирны — чаще среди крестьян и посадских людей, реже среди мелких служилых. В дворянские роды Тихомирновы, скорее всего, не попали: фамилия осталась в крестьянской и мещанской среде.

Написание с одним «н» в конце (Тихомирнов, а не Тихомирннов) закрепилось в XIX веке при стандартизации фамилий, когда суффикс -н- слился с основой. Если сравнивать с однокоренными: Тихомиров — самая частая форма, Тихомирский — возможна у выходцев из духовенства, а Тихомирнов — самая редкая и географически локальная. Встретить её сегодня можно в основном в Ярославской, Костромской и Вологодской областях, что подтверждает связь с северорусской традицией именослова.