הכנסייה הנוכחית נבנתה בסגנון גותי מאוחר והוקדשה ב-10 באפריל1496. המגדל נבנה בשנת 1702 ובו 68 מדרגות.
באך הגיע לכנסייה ב-1723 ועבד בה עד מותו ב-1750 במגוון תפקידים. כמלחין מוזיקה לתפילות בכנסייה, כמנצח ומדריך מקהלת הנערים סנט תומאס. הוא גר עם משפחתו בבית הספר הסמוך על שם תומאס (Alte Thomasschule - נהרס במלחמת העולם השנייה). לוחית זיכרון מציינת זאת על קיר הכנסייה, צמודה אליה לוחית זיכרון לאנה מגדלנה באך.
באך לא היה מפורסם בחייו. הוא מת ב-28 ביולי1750 ונקבר בארון עץ בבית הקברות ליד כנסיית יוחנן (Johanniskirche). לאחר שהתפרסם הועלתה דרישה לקברו בכנסייה. הפתולוג וילהלם היס חיפש ומצא בבית הקברות של כנסיית יוחנן ארון קבורה מעץ ובו שלד שמתאים לפי גדלו לבאך. ב-16 ביולי1900 הושמו העצמות האלה בתוך סרקופג ונקברו בכנסיית יוחנן. בעקבות הפצצת הכנסייה ב-4 בדצמבר1943 הועברו העצמות לכנסיית תומאס. הקבר הנוכחי נכרה ליד המזבח בכנסייה ונחנך ב-18 ביולי1950, במלאת 200 שנה למותו של באך.
פליקס מנדלסון חיפש בארכיון של כנסיית תומאס, מצא את התווים של מתאוס פסיון ונפעם. הוא ניצח על היצירה בברלין ב-1829 ומאז התפרסם באך בכל אירופה. ב-1936 הרסו הנאצים את פסלו של מנדלסון שהיה ליד אולם הגוונדהאוס בלייפציג. ב-18 באוקטובר2008, במלאת 200 שנה להולדתו נחנך פסל של מנדלסון ליד כנסיית תומאס שהוא העתק כמעט מושלם של הפסל המקורי. בטקס השתתף מנצח תזמורת הגוונדהאוס, קורט מזור.
בנוסף לשני פסלי המלחינים הקשורים בכנסייה יש בה גם חלונות ויטראז' עם דמויותיהם.