В начале 1938 года Шатурский райком партии принял решение о закрытии Казанского храма, где служил отец Иоанн, и местный секретарь парторганизации стал изыскивать, как это сделать; при наличии служащего в храме священника это казалось ему трудноисполнимым. В конце января 1938 года он зашел к местному сотруднику НКВД посоветоваться, как закрыть храм, на что тот ответил, что все оформит, только надо зайти расписаться. На следующий день секретарь парторганизации и местный пенсионер-безбожник зашли к сотруднику НКВД и расписались в протоколах, не читая их и не придавая этому никакого значения. Таким образом лжесвидетельства были готовы, и 26 января 1938 года протоиерей Иоанн был арестован и на следующий день допрошен. Свидетельские показания были оформлены, и следователь не слишком домогался подтверждения их от священника, спросив лишь его, признает ли он себя виновным, на что тот ответил, что не признает. Следователь повторил свой вопрос, и отец Иоанн вторично сказал: «Заявляю, что никакой контрреволюционной деятельностью я не занимался и виновным в этом я себя не признаю».
11 февраля 1938 года тройка НКВД приговорила отца Иоанна к расстрелу. Протоиерей Иоанн Тихомиров был расстрелян 17 февраля 1938 года и погребен в безвестной общей могиле на полигоне Бутово под Москвой.
Заказать рукописную икону Священномученик пресвитер Иоанн Тихомиров