Улица возникла на территории села Сущёво, которое, вероятно, существовало уже в XII—XIII веках. Оно впервые упоминается в 1433 году в завещании князя Юрия Дмитриевича Галицкого, передавшего Сущёво своему сыну Дмитрию. Позднее село вошло в состав города и превратилось в две слободы — Старую и Новую Сущёвские. Современная Тихвинская улица проходила по территории Новой Слободы, тогда как Сущёвская улица была центральной улицей Старой.
В конце XVII века в слободе было построено две каменные церкви — Казанской иконы Божией Матери в Старой слободе и Тихвинской иконы Божией Матери в Новой. В отличие от Казанской церкви, разрушенной в 1939 году, Тихвинская церковь сохранилась до наших дней.
В советский период Тихвинская улица была застроена типовыми советскими домами. На ней сохранился лишь один старый особняк (дом № 37/7).
Примечательные здания
По нечётной стороне:
№ 13 — Храм Тихвинской иконы Божией Матери в Сущёве. Церковь была выстроена на средства купца И. Ф. Викторова в 1694—1696 годах. Колокольня была возведена в 1812 году. В 1825 году церковь была слегка перестроена и украшена изнутри. В 1902 году к церкви была сделана пристройка. В 1935 году храм был закрыт и передан для производственных целей Станкоинструментальному институту. В 1992 году он возвращён Церкви в ужасающем состоянии[источник не указан 2282 дня]. После длительной реставрации в нём возобновлены регулярные богослужения.