С 5 мая 1944 года назначен командиром 332-й штурмовой авиадивизией. С 9 июня 1944 года дивизия участвовала в Белорусской наступательной операции. За успешное выполнение заданий командования при прорыве обороны противника на витебском направлении дивизии и 811-му штурмовому авиаполку были присвоены наименования «Витебские». В период с 4 по 15 января 1945 года дивизия в полном составе была перебазирована на 2-й Белорусский фронт и вошла 4-ю воздушную армию. В её составе участвовала в Восточно-Прусской, Восточно-Померанской и Берлинской наступательных операциях. За образцовое выполнение заданий командования дивизия была награждена орденом Красного Знамени. Лично полковник Тихомиров имел на своём счету к концу войны 13 успешных боевых вылетов.