Основные научные работы посвящены
фотометрии и
колориметрии звёзд и
планет, атмосферной
оптике. Предложил два метода обнаружения
дисперсии света в
межзвёздной среде — по разности фаз кривых
лучевых скоростей спектрально-двойных звёзд, измеренных по спектральным линиям поглощения
спектра (
1898), и по разности фаз кривых блеска
переменных звёзд, полученных по наблюдениям в разных участках спектра (
1908). Обнаружил запаздывание фаз у
затменных звёзд в коротковолновой области спектра (эффект Тихова — Нордмана, независимо открытый французским астрономом Ш. Нордманом (фр. Charles Nordman) при визуальных наблюдениях). Одним из первых начал широко применять метод
светофильтров в
астрономии. В
1909 году на 30-дюймовом
рефракторе Пулковской обсерватории получил первые фотографии
Марса в различных участках спектра и обнаружил различие размеров и яркости его полярных шапок в разных областях спектра, установил существование голубой дымки в атмосфере этой планеты. Выполнил колориметрические исследования
Сатурна (
1909,
1911),
Урана и
Нептуна (
1922). В
1914 голу из наблюдений пепельного света
Луны впервые установил, что
Земля при наблюдении из космоса должна иметь голубоватый оттенок. В
1915 году предложил новый метод быстрого приближённого определения цветовых характеристик звёзд, в котором используется
объектив с сильной
хроматической аберрацией в фотографической области («метод продольного спектрографа»), в
1937 и
1951 годах опубликовал каталоги цветов около 18 000 звёзд в избранных площадках
Каптейна.