Начиная свою карьеру как театральный актер, а позже режиссер, Роман Тихомиров поступил в 1936 году на факультет музыкальной режиссуры Ленинградской консерватории (класс Э. Каплана). Так началась его жизнь в кинематографе.
С 1939 года и в годы войны он становится ассистентом режиссера киностудии «Ленфильм» и музыкальным руководителем Ташкентской киностудии. Параллельно с учебой в консерватории Роман Тихомиров работал помощником режиссера на картинах С.А. Герасимова «Учитель», Я.А. Протазанова «Насреддин в Бухаре», М. И. Ромма «Человек №2017».
В 1958 году на экраны выходит первый фильм, где Роман Тихомиров выступил сразу в роли режиссера и сценариста — «Евгений Онегин».
Роман Тихомиров поставил на киностудии «Ленфильм»: фильмы-оперы «Евгений Онегин», «Пиковая дама», «Князь Игорь», фильм-оперетту «Крепостная актриса», фильм-балет «Чолпон – утренняя звезда», музыкальный фильм-обозрение «Когда песня не кончается». К четырем из них он написал сценарии.