В июне 1941 года ушёл добровольцем на фронт. Окончив школу санинструкторов, служил помощником командира взвода санотдела 5-й армии Западного фронта, затем санинструктором 1-й стрелковой бригады Западного фронта. Вынес с поля боя 104 человека, за что в 1942 году был награждён орденом Красной Звезды. С 1942 года был артистом политотдела 42-й гвардейской стрелковой дивизии, с марта по август 1945 года — артистом фронтовой бригады 2-го Украинского фронта. На фронте принял участие в двух с половиной тысячах концертов. Закончил войну артистом ансамбля Киевского военного округа. К ордену Красной Звезды добавились медали «За боевые заслуги» и «За победу над Германией».

В 1946—1950 годах окончил Московское городское театральное училище (курс В. В. Готовцева), в 1965 году — ГИТИС. Вместе с женой, актрисой (впоследствии народной артисткой РСФСР) Наталией Ивановной Терентьевой работал в Иркутском ТЮЗе (1950—1953) и Псковском драматическом театре им. А. С. Пушкина (1953—1956). С 1956 года — актёр Ярославского театра драмы имени Фёдора Волкова. За время работы в театре им. Ф. Г. Волкова Сергеем Тихоновым создано больше сотни разнообразных по жанру, ярких по своим актерским решениям образов в произведениях классического русского, зарубежного и современного репертуара.

С первой роли пана Збышко в «Морали пани Дульской» Сергей Тихонов завоевал зрительские симпатии. Затем пошли герои А. Островского: скользкий, как угорь, чиновник Юсов в «Доходном месте», туповатый и одновременно хитроватый Градобоев в «Горячем сердце». В спектакле «Человек и глобус» В. Лаврентьева Сергей Тихонов создал удивительный образ мужественного человека — учёного-атомщика Цветкова, в блокадном Ленинграде «колдующего» над заданием государственной важности. Сам участник Отечественной войны, Сергей Константинович вложил в эту роль все пережитое его поколением в предвоенное и военное время. Актерской манере молодого Тихонова были присуще острота мысли, любовь к эксцентрике, импровизации. Коварен, нагл и осторожен вражеский разведчик Мика Ставинский («Барабанщица»), мягок, человечен и добр Светличный («Океан»), бешен и кипуч Петр III («Федор Волков»), устал и сдержан Вернер («Печорин»).

Актёрский взлёт Сергея Константиновича пришёлся на 70−80-е годы, когда ему довелось играть центральные роли в пьесах Розова, Шукшина, Дударева, Горина, а в русской классике воплощать героев Островского, Чехова, Горького. Тихонов любил острые характеры, лепил их резко, не приглаживая.

С годами пришло глубокое проникновение в психологию персонажа, умение найти тончайшие изменения в его внутренней жизни, «музыку» образа. В этом смысле Тихонова назвали актёром вахтанговской школы. Из лучших ролей Тихонова можно назвать роль Владимира Ильича Ленина в пьесе Чепурина «Снега» и барона Мюнхаузена в «Самом правдивом» Григория Горина. Ленин в исполнении Сергея Тихонова — это страстный мечтатель, устремлённый в будущее, барон Мюнхаузен — поэтичный, влюбленный, остро чувствующий, легко ранимый человек. Он мудр, праздничен и бесстрашен. «Маленькие трагедии» А. С. Пушкина в исполнении волковцев стоило увидеть из-за тихоновского Сальери. В его исполнении Сальери — страдающий и ищущий истину человек. Тихонов судит своего героя за личную обворованность, раскрывает его творческую обреченность.

Тридцать пять лет отдано Сергеем Константиновичем Тихоновым Волковской сцене. Обладая самобытным, многогранным талантом, он создал сотни ярких ролей. Жажда творчества у Тихонова проявилась и в его увлечениях, и в педагогической деятельности. Одним из первых пришёл он в созданное в 1962 году Ярославское театральное училище и отдал театральной педагогике 30 лет жизни. Заведующий кафедрой актёрского мастерства, профессор Сергей Константинович Тихонов воспитал множество учеников, работающих ныне в разных театрах России.

Ушёл из жизни 9 ноября 1992 года, похоронен на Леонтьевском кладбище в Ярославле.