Н. С. Тихонравов вошёл в историю филологической науки как автор критических трудов о русской литературе. Сфера его научных интересов – литературное наследие Древней Руси, XVII и XVIII веков, история русского театра.
Н. С. Тихонравовым был подготовлен и выпущен многотомный труд «Летописи русской литературы и древности» (1859-1863). В своих статьях автор подвергает критическому анализу многие древнерусские литературные памятники. Наиболее значительные статьи из сборника – «Повесть о Савве Грудцыне», «Сказание об Индейском царстве», «Стих о Голубиной книге», «Автобиография протопопа Аввакума», «Памятники отречённой русской литературы», «Слово о полку Игореве».
Н. С. Тихонравов является одним из авторов критического издания сочинений Н. В. Гоголя 1889-1890 годов, а также ряда статей о творческом наследии писателя.