Im Jahr 1898 erfolgte die Grundsteinlegung für die katholische Kirche Thalwil, nachdem erst seit 1864 überhaupt wieder katholische Gottesdienste in der Gemeinde stattfanden. Mit dem Aufkommen der Textilindustrien waren viele katholische Arbeiter nach Thalwil gekommen, die das Bedürfnis nach einer eigenen Kirche hatten. Diese wurde vom lokalen Baumeister Rocco Perlatti nach Plänen von Johann Meyer (1820–1902), Luzern, gebaut. Geweiht wurde sie den beiden Stadtheiligen von Zürich, Felix und Regula. Unmittelbar bei der Kirche entstand auch gleichzeitig das Pfarrhaus, ein einfacher Solitär mit Pyramidendach.
Aus Kostengründen wurde vorerst kein Turm gebaut, lediglich ein Ansatz war sichtbar, um diesen jederzeit ergänzen zu können. Auch im Inneren präsentierte sich die Kirche weitgehend schmucklos und ohne Ausstattung. Diese konnte erst nach und nach zugekauft werden, nur ein Altartisch war vorhanden. Zudem fehlte auch noch ein Teil der Haustechnik. Eine Heizung und elektrisches Licht wurden erst später eingebaut. Nach und nach füllte sich aber das Innere: Die Kirche Thalwil erhielt aus einer abgebrochenen Kapelle in Arth einen Altar, eine Orgel aus der reformierten Kirche Uster, ein Chorgestühl aus Einsiedeln und Glocken aus Dietikon. 1924 konnte der Turmbau endlich in Angriff genommen und der bereits gebaute Stumpf vollendet werden. Allerdings war die Kirchgemeinde auf Spenden angewiesen. Verschiedene Industrielle, deren Arbeiter die Kirche besuchten, und die politische Gemeinde Thalwil leisteten einen Beitrag. 1935 war dann die Ausstattung der Kirche mit dem Einbau einer Heizung vorerst abgeschlossen. Die zusammengetragene Ausstattung wurde bei einer Sanierung in den 1950er-Jahren jedoch weitgehend entfernt. Die barocken Altäre und Aufbauten waren wurmstichig und wurden daher entsorgt. Die Kirche präsentierte sich anschliessend in viel schlichterer Form. In den 1980er-Jahren kam es nochmals zu einer Innenrenovation und die dreissig Jahre zuvor gemachten Massnahmen wurden rückgängig gemacht. Nach einer wechselvollen Geschichte präsentiert sich die Kirche heute noch immer in einer schlichten, eher strengen Aufmachung ganz ähnlich wie zu ihren Ursprüngen.