Священномученик Сергий Тихомиров был рукоположен во священника в Петербурге в 1891 году. Он был настоятелем церкви Введения во храм Пресвятой Богородицы на Введенской улице. После разрушения этого храма отец Сергий был настоятелем церкви во имя Иоанна Милостивого, патриарха Александрийскаго при убежище слепых. После захвата этой церкви живоцерковниками состоял вторым священником в церкви во имя Алексия, человека Божия.
Отца Сергия глубоко чтили. Многие профессора Петроградского Университета и других высших учебных заведений были его духовными чадами. Он был аскетом, замечательным проповедником, большим почитателем митрополита Антония (Храповицкого). Батюшка часто посещал Оптину пустынь и находился в духовном общении с Оптинскими старцами. В свою очередь, он сам мог быть назван старцем. Отец Сергий был строг к своим духовным чадам, когда замечал в них хотя бы слабые признаки самооправдания, но проявлял необычайную нежность, чуткость, внимание и любвеобилие, если замечал хотя бы намек на уныние или отчаяние.
После «Декларации» митрополита Сергия (Страгородского) в 1927 году отец Сергий немедля присоединился к группе протестующих и обличал предательство митрополита Сергия и его сподвижников. Последнее время, вплоть до своего ареста, он служил в кафедральном соборе «иосифлян» — в храме Воскресения на крови.
В ноябре 1929 года отца Сергия арестовали. В тюрьме он проявил чрезвычайное мужество и бесстрашие. Священник обличал безбожие, несмотря на угрозы и побои. Расстрелян 21 августа 1930 года.
Священномученик Сергий Тихомиров причислен к лику святых новомучеников и исповедников Российских 11 марта 2020 года определением Священного Синода Русской Православной Церкви.
