Im Jahre 1159 wird zum ersten Mal eine Kirche in Thalwil «tellowilare» urkundlich erwähnt. Sie gehört damit zu den ältesten Kirchgebäuden am See. Die Kirche war dem Heiligen Martin geweiht, wie andere Kirchen am Zürichsee (Ufenau, Meilen).
Die Thalwiler Kirche steht auf einem Felsvorsprung, auf der sogenannten Platte, mit grossartiger Aussicht auf den See. Sie ist durch ihre exponierte Lage weitherum sichtbar, auch nachts, wenn sie am Wochenende oder im Advent beleuchtet ist.
War Thalwil ursprünglich als Bauerngemeinde eher dünn besiedelt, nahm seit der Industrialisierung die Bevölkerung derart zu, dass auch die Kirche allmählich zu klein wurde.
Dazu kommt, dass bis 1709 auch die Langnauer Bevölkerung zum Einzugsgebiet der Thalwiler Kirche gehörte. 1845 wurde die alte Kirche auf der Platte abgerissen, 1846 der Grundstein für die neue Kirche gelegt, die am 24. Oktober 1847 eingeweiht wurde. (Daher wird die Thalwiler „Kirchweih“ auch auf das Wochenende am oder nach dem 24. Oktober gelegt).
Für den Grundriss der neuen Kirche wählte man ein griechisches Kreuz mit stark verkürzten Armen. Die Kirche ist ein klassizistischer Bau mit ionischen Säulenkapitellen und einem schönen Mäander an der Decke. Sie bildet einen fast quadratischen Zentralraum und wird wegen der Bankanordnung als letzte grosse Zürcher Querkirche bezeichnet.
Am 19.Mai 1943 brannte die Kirche wegen Bauarbeiten im Turm bis auf die Grundmauern nieder, ein Ereignis, von dem bis heute in Thalwil gesprochen wird. Es wurde beschlossen, den Wiederaufbau auf dem selben Grundriss anzugehen, wenn auch der Kirchenraum gegen den Plattenplatz hin etwas erweitert wurde.
Am 14. April 1946 konnte die wieder aufgebaute Kirche eingeweiht werden. Sie hatte einen neuen Turmhelm mit Krone (Karls-Krone?) erhalten anstelle des alten grossmünsterähnlichen Helms. Dazu kamen eine neue grosse Orgel der Firma Kuhn/Männedorf, sowie Kirchenfenster des Zürcher Glasmalers Max Hunziker (die ersten des Künstlers, der 2001 100-jährig geworden wäre; seine letzten sind in Meilen zu sehen).
Die fünf Glocken der Firma Rüetschi wiegen über 14 Tonnen, sind auf die Namen «Glaube», «Liebe», «Hoffnung», «Gerechtigkeit˚ und «Friede» getauft und auf gis, h, cis, dis, fis gestimmt. Aus der alten Kirche von der 1845 stammt noch der Taufstein des Münchner Bildhauers Hautmann, der unter mutigem Einsatz aus der brennenden Kirche gerettet wurde. (Weitere Überreste der alten Kirche sind im Ortsmuseum zu besichtigen.)
1989 – 1992 wurde die Kirche innen renoviert und erhielt ihre erste Orgel zurück, die im Jahr 1865 vom damals berühmten Orgelbauer Friedrich Haas erbaut wurde. So hat die Thalwiler Kirche zwei vollwertige Kirchenorgeln, die ihre je eigenen Klangfarben entfalten und entsprechend eingesetzt werden können.
Heute wird die Kirche natürlich vor allem als Gottesdienstraum genutzt.
Ausserdem finden zahlreiche Konzerte der reformierten Konzertkommission, der örtlichen Musikvereine und vieler Gastveranstalter und gelegentlich eine Gemeindeversammlung statt.