ถนอมศักดิ์ขึ้นชกมวยสากลครั้งแรกเมื่อ 10 มิถุนายน พ.ศ. 2528 ชนะคะแนน กมลเดช สิงห์รุ่งโรจน์ จากนั้น ชกชนะรวดจนได้ชิงแชมป์มวยสากลเวทีราชดำเนินรุ่นฟลายเวทเมื่อ 15 กรกฎาคม พ.ศ. 2529 ชนะคะแนน น้องเบิร์ด ณ พัทยา จากนั้น ได้ชิงแชมป์ภาคฯรุ่นฟลายเวทที่ว่างเมื่อ 15 ตุลาคม พ.ศ. 2529 ชนะน็อค ซาบรี ซานุสซี ยก 4 ได้แชมป์มาครอง แต่ถนอมศักดิ์ชกป้องกันแชมป์ได้ครั้งเดียวเท่านั้นก็ไปเสียแชมป์ให้เคนจิ มัตสุมูร่า ที่ ญี่ปุ่นเมื่อ 3 พฤษภาคม พ.ศ. 2530

หลังจากเสียแชมป์ไป ถนอมศักดิ์ได้ขึ้นชกอย่างสม่ำเสมอ โดยเคยชกขนะคะแนนแฟรงค์ เซเดโน ฮิปโป กาลา และต่อศักดิ์ ศศิประภายิม จนกระทั่งเขาค้อ แกแล็คซี่เสียแชมป์โลกรุ่นแบนตัมเวท WBA ให้หลุยส์ ซีโต้ เอสปีโนซา ถนอมศักดิ์จึงได้ขึ้นชิงแชมป์โลกในรุ่นนี้แทนเมื่อ 29 พฤศจิกายน พ.ศ. 2533 พร้อมกลับเปลี่ยนชื่อในการชกมวยเป็นเถลิงศักดิ์ ศิษย์โบ๊เบ๊ แต่ก็เป็นฝ่ายแพ้คะแนนไป จากนั้น เถลิงศักดิ์ลดลงมาชกในรุ่นจูเนียร์แบนตัมเวท และได้เป็นรองแชมป์โลกอันดับสูงในรุ่นนี้ เมื่อเขาทราย แกแล็คซี่สละแชมป์โลก เถลิงศักดิ์จึงได้ชิงแชมป์โลกที่ว่างเมื่อ 10 เมษายน พ.ศ. 2535 แต่ก็แพ้คะแนน คัตสุยา โอนิซูกะ ไม่ได้แชมป์ เถลิงศักดิ์ได้ขึ้นชิงแชมป์โลกแก้มือกับโอนิซูกะอีกครั้งเมื่อ 5 พฤศจิกายน พ.ศ. 2536 โดบเปลี่ยนชื่อในการชกมวยเป็นเขาใหญ่ มหาสารคาม แต่ก็แพ้คะแนนไปอีก

หลังการชกครั้งนั้น เขาใหญ่ยังไม่ท้อ เขาขยับขึ้นไปชกในรุ่นแบนตัมเวท และชกชนะติดต่อกันหลายครั้ง รวมทั้งชกชนะโรแลนโด พลาสคัว อดีตแชมป์โลกชาวฟิลิปปปินส์ด้วย เขาใหญ่ได้เป็นรองแชมป์โลกอันดับสูงในรุ่นแบนตัมเวท WBC แต่ไม่มีโอกาสได้ชิงแชมป์ เนื่องเพราะสังขารโรยรา ทำให้การชกตกต่ำลง ในที่สุดเขาใหญ่ขึ้นชกแพ้น็อค ศิริมงคล สิงห์มนัสศักดิ์ ในยกที่ 3 เมื่อ 5 พฤษภาคม พ.ศ. 2539 จากนั้นก็หยุดชกไป 2 ปี กลับมาชกอีกครั้งเมื่อ 9 สิงหาคม พ.ศ. 2541 แพ้น็อค ทัตสุโตระ เซนริมะ ยก 4 ที่ญี่ปุ่นจากนั้นก็แขวนนวมไป