В 1957 году Тихонов становится актёром ЦКДЮФ имени М. Горького. В этом же году на киноэкраны вышел фильм С. И. Ростоцкого «Дело было в Пенькове», где Вячеслав сыграл роль тракториста Матвея Морозова. Эта роль принесла актёру зрительское признание.

В фильме режиссёра Виктора Ивченко «Ч. П. — Чрезвычайное происшествие» (1958) актёр сыграл одесского матроса Виктора Райского, весёлого и бесшабашного парня, который становится настоящим героем в схватке с захватившими танкер чанкайшистами.

После этих кинокартин в Тихонова поверили режиссёры, и за короткий срок ему был предложен ряд значительных, разноплановых ролей в фильмах: Станислава Ростоцкого «Майские звёзды» (1959) и «На семи ветрах» (1962), Е. И. Ташкова — «Жажда» (1959), М. А. Швейцера — «Мичман Панин» (1960), Л. Д. Лукова — «Две жизни» (1961), С. И. Самсонова — «Оптимистическая трагедия» (1963). В фильме «Жажда» Тихонов впервые примерил форму немецкого офицера и роль советского агента — он играл разведчика, заброшенного в немецкий тыл во время войны.

Во второй половине 1960-х годов Тихонов сделал большой шаг к вершинам актёрского мастерства — была сыграна роль Андрея Болконского в эпопее Сергея Бондарчука «Война и мир». Роль потребовала от актёра полной самоотдачи, и Тихонов, подобно всем участникам съёмок, работал с неимоверным напряжением сил.

Затем актёр с удивительной достоверностью сыграл учителя Мельникова в фильме Ростоцкого «Доживём до понедельника». Скромный, честный, порядочный учитель истории, по отзывам критиков, покорил зрительскую аудиторию.

В 12-серийном телесериале Татьяны Лиозновой «Семнадцать мгновений весны» Тихонов сыграл самую известную свою роль — разведчика Исаева-Штирлица. Актёрская удача Тихонова принесла ему невиданную популярность. Показ фильма, снимавшегося с 1969 по 1972 год, должен был начаться ко Дню Победы, в мае 1973 года, но был отложен по политическим соображениям, из-за визита советского лидера Л.И.Брежнева в ФРГ. Первую серию картины зрители увидели 11 августа 1973 года. Это был самый триумфальный год в кинокарьере Тихонова. Примечательно, что сам актёр накрепко привязавшийся к нему на всю оставшуюся жизнь образ Штирлица с собой не ассоциировал. По воспоминаниям дочери Анны, в ответ на очередное: «Ой, Штирлиц!» – Тихонов говорил: «Да, иногда меня так называют». А чаще: «Нет, вы меня с кем-то перепутали». С телесериалом, ставшим культовым далеко за пределами СССР, съёмочная группа во главе с Тихоновым и Лиозновой объездила многие страны мира. К выпуску в мае 2009 года раскрашенной версии фильма 81-летний Тихонов отнёсся резко негативно, сказав, что ни к нему, ни ко всей творческой группе это не имеет почти никакого отношения.

Осенью 1974 года актёр появился на экране в роли майора НКВД Млынского в картине «Фронт без флангов» (на фоне ошеломляющего успеха «Мгновений» фильм в прокате не блистал), а затем на несколько лет наступило затишье.

Похожую на Штирлица роль, но не рядового, а руководящего сотрудника советских спецслужб актёр через 10 лет исполнил в телесериале «ТАСС уполномочен заявить…» по роману того же Юлиана Семёнова, окончательно укрепив свой образ образцового «советского разведчика». До этого, в 1977 году, Тихонов снялся в главной роли в фильме С. И. Ростоцкого «Белый Бим Чёрное ухо» — гуманистической картине о сострадании и человеческой жестокости по отношению к ближним и братьям нашим меньшим. «Из-за закрытых дверей кинозала было слышно, как плачут зрители», — характеризует биограф реакцию потрясённой публики.