Труды К.Н. Тихонравова связаны с историей, археологией и статистикой Владимирской губернии.
С 1844 г. Константин Никитич работал в губернском Статистическом комитете и совмещал изучение истории родного края с профессиональными обязанностями. Собирая статистический материал для подготовки губернаторских отчетов, К.Н. Тихонравов почти ежегодно находился в разъездах по губернии, проверяя доставляемую в Статкомитет городскими думами и полицией информацию о населении, демографии, пожарах, болезнях, преступности, фабриках и заводах, торговле, ярмарках, судоходстве, садоводстве, о земельных владениях, о промыслах и полезных ископаемых и т.п., одновременно посещая монастыри и осматривая их ризницы и библиотеки, собирая историческую информацию, старинные документы, делая описания памятников, записывая народные обычаи и фольклор.
В неофициальной части газеты «Владимирские губернские ведомости» ежегодно печатались десятки его статей по самой разнообразной тематике: о курганах, древних городищах, найденных древних европейских, саманидских и куфических монетах, ископаемых костях «допотопных» животных, истории сел и деревень, некрополях, колядах, офенях и офенском языке, старинных печах, пушках и т.п. Там же опубликованы исторические описания многих церквей, монастырей и пустыней, собран корпус надписей на старинных церковных вещах, иконах, книгах, зданиях, колоколах, надгробиях и т.п. Все эти материалы впоследствии легли в основу опубликованного в 1893–1898 гг. «Историко-статистического описания церквей и приходов Владимирской епархии».
Кроме описательных статей Константин Никитич опубликовал множество найденных им в архивах древних актов (указов, жалованных грамот, памятей, разъезжих грамот, данных, купчих и т.п. за XVI–XVIII вв.). Например, он напечатал данные грамоты княгини Ковровой и князей Пожарских в суздальский Спасо-Евфимиев монастырь XVI в., допросные речи владимирских посадских людей о повреждении земляных валов 1729 г., документы о починке городских стен и башен в Суздале в 1668 г., грамоту патриарха Адриана на постройку церкви в Ярополче, опись суздальского Спасо-Евфимиева монастыря 1660 г., вкладную книгу владимирского Рождественского монастыря 1684 г., церемониал встречи в г. Владимире императрицы Екатерины II в 1767 г.
Перу Константина Никитича принадлежат несколько исторических исследований, в том числе о крепостных стенах и башнях г. Владимира XVII в. с указанием места расположения древних ворот: Орининых, Медных, Серебряных и Волжских, «Город Владимир в начале XVIII столетия». Он же составил историко-статистические описания семи городов — Владимира, Мурома, Гороховца, Киржача, Суздаля, Александрова, Иваново-Вознесенска.
В 1857 г. К.Н. Тихонравов опубликовал «Статистический список населенных местностей Владимирской губернии» – первый за всю историю существования губернии перечень населенных мест.
Еще одной «страстью» К. Н. Тихонравова стала археология. В 1851 г. он был официально откомандирован от Канцелярии губернатора в помощь археологу графу А.С. Уварову, который занимался поиском и изучением памятников истории русского народа. Вместе с Уваровым Тихонравов обнаружил гробницу князя Д.М. Пожарского в суздальском Спасо-Евфимиевом монастыре, участвовал в 1851–1852 гг. в проводимых им археологических раскопках («разрытиях») курганов Суздальского и Юрьевского уездов, где познакомился с приемами и научными требованиями к раскопкам, в 1853 г. участвовал в раскопках в Переславском уезде под руководством П.С. Савельева. В дальнейшем Тихонравов проводил раскопки уже самостоятельно. В 1854 и 1857 гг. Тихонравов раскапывал курганы во Владимирском, а в 1863 г. в Шуйском уездах. В 1869 г. Московское археологическое общество поручило ему раскопать курганы на р. Сити в Ярославской губернии, но в 1870 г. по состоянию здоровья Константин Никитич не смог этого сделать, а в следующий раз в 1871 г. раскопкам помешала свирепствовавшая в Ярославской губернии холера.
На губернском уровне Тихонравов стал одним из крупнейших специалистов по изучению памятников древности Владимирского края, причем очень широкого профиля, его работы были отмечены и в русской исторической науке. В 1849 г. К.Н. Тихонравов был принят в члены Императорского Русского Географического общества, в 1850 г. – в члены-сотрудники Императорского Археологического общества, в 1853 г. – Императорского Московского Общества истории и древностей Российских.