Но уже в этот период Тихомиров начинает сомневаться в правоте своего дела. На одном из заседаний ИК “Народной воли”, проходившем в середине 1880 года, он заявляет о своем желании выйти из революционной организации. А. П. Прибылева-Корба вспоминала, что эта сцена была “в высшей степени мучительна”. Товарищи напомнили Тихомирову о том, что по условиям устава исполнительного комитета о выходе из него не может быть и речи, и единогласно решили дать ему “временный отпуск для поправления здоровья”. Арестованный через несколько месяцев после этого заседания А. Д. Михайлов писал из тюрьмы товарищам о необходимости “беречь и ценить” Тихомирова как “лучшую умственную силу” и просил прощения за то, что часто упрекал его в бездействии. Но сам Тихомиров к этому времени уже не был тем Тигричем, которым знали его товарищи. К нему больше подходила другая подпольная кличка — Старик.
После убийства Александра II народовольцами и разгрома партии, в 1882 г., Тихомиров уехал за границу. Перед этим он направил Александру III открытое письмо исполнительного комитета “Народной воли”, в котором было сказано: “…может быть два выхода: или революция, совершенно неизбежная, которую нельзя предотвратить никакими казнями, или добровольное обращение верховной власти к народу”, и далее ставил ультиматум: общая амнистия всем политическим заключенным, созыв представителей от всего народа “для пересмотра существующих форм государственной и общественной жизни” и “переделки их сообразно с народными желаниями”. В противном случае “Народная воля” угрожала власти новыми кровавыми акциями. В подпольных типографиях продолжали печатать воззвания к “простым мужикам”, разъясняя им суть произошедшего и призывая продолжать борьбу: “От нового царя тоже не дождаться тебе ничего хорошего!.. Коли хочешь земли да воли, так силой бери”.
Вместе с Львом Тихомировым за границу также выехала Екатерина Дмитриевна. Обосновавшись в Париже, Тихомиров продолжал заниматься революционной деятельностью и вместе с П. Л. Лавровым редактировал “Вестник Народной воли” (1883-1886 гг.). В полицейской справке о деятельности Льва Александровича отмечалось: “Прежде всего, Тихомиров приложил все свои силы к поднятию тогда упавшей революционной литературы”. В эмиграции во взглядах Тихомирова постепенно начинает нарастать серьезный перелом. Он стал задумываться о пройденном пути, о смысле жизни. И эти размышления были весьма печальными: “Передо мною все чаще является предчувствие, или, правильнее, ощущение конца. Вот, вот конец жизни… Еще немного — и конец, и ничего не сделано, и перед тобой нирвана. И сгинуть в бессмысленном изгнании, когда чувствуешь себя так глубоко русским, когда ценишь Россию даже в ее слабостях, когда видишь, что ее слабости вовсе не унизительны, а сила так величественна”. Тяжкие думы усугублялись постоянным безденежьем, порождающим ссоры между супругами, и болезнью сына (менингит). Немало нервов испортил Тихомирову заведующий русской полицейской агентурой в Париже П. И. Рачковский, следивший за каждым его шагом.
Пытаясь найти ответ на мучившие его вопросы, Тихомиров обратился к Библии. Все чаще и чаще книга открывалась на фразе “И избавил его от всех скорбей его и даровал мудрость ему и благоволение царя египетского фараона…” (Деян. 7:10). Пытавшегося вникнуть в смысл написанного Тихомирова неожиданно озарило: “Да не государь ли это? Не на Россию ли мне Бог указывает?”. Он начинает ходить в церковь, часто берет туда сына, которому рассказывает о Боге и России. Постепенно Тихомиров все больше и больше начинал верить в то, что он сам имеет “некоторую миссию”. Так происходило его внутреннее перерождение. Предпосылки к этому уже имелись. “Строго говоря, я не был вполне безбожником никогда, — вспоминал Тихомиров. — Один раз во всю жизнь я написал: “Мы не верим больше в руку Божью”, и эта фраза меня смущала и вспоминалась мне как ложь и как нечто нехорошее”.