Über die Entstehung der dem heiligen Martin geweihten Kirche fehlt jegliche schriftliche Nachricht. Eine Urkunde von 1159 nennt bei den Besitzungen des Klosters Muri auch eine Kirche in Thalwil. 1253 ging das Recht der Pfarrwahl an das Kloster Wettingen über, welche dieses Recht de jure bis 1838 ausübte. Mit der Reformation erhielt Thalwil im Jahre 1523 eine eigene Kirchenbehörde, den sogenannten Stillstand.
Die alte Kirche wurde mehrmals renoviert und erweitert bis sie dann 1845 abgebrochen wurde, um Platz für einen Neubau an dieser prominenten Lage zu schaffen. Das stattliche Pfarrhaus mit dem dazugehörigen Waschhaus wurde dabei nicht angetastet. Beide Gebäude stehen heute noch. Das Projekt für die neue Kirche stammte von lokalen Baumeistern, wurde jedoch modifiziert von Ferdinand Stadler (1813–1870), einem der bedeutendsten Zürcher Architekten des 19. Jahrhunderts.
Bei der reformierten Kirche Thalwil handelt es sich um die letzte verwirklichte Querkirche im Kanton Zürich. Der Typus der Querkirche war insbesondere in reformierten Gegenden beliebt. Als «Kirchen des Worts» war alles auf die Akustik ausgerichtet, meistens mit Bestuhlung auf drei Seiten der Kirche um einen zentralen Punkt herum. Dies im Gegensatz zu katholischen Kirchen, bei denen der Fokus auf der ästhetischen Wirkung lag.
Nicht einmal 100 Jahre danach geschah das grosse Unglück: Im Mai 1943 entstand während Renovationsarbeiten an der Blechabdeckung des Turms ein Brand, welcher, angefacht durch den Wind, schnell den Dachstuhl erfasste und die Kirche bis auf die Umfassungsmauern zerstörte. Die Handwerker entdeckten den Brand zwar früh, aber «der Turm war hoch, das Wasser weit weg und die Möglichkeiten und Kräfte der Menschen klein.»
Der Wiederaufbau erfolgte durch den lokalen Architekten Heinrich Müller (1877–1952), der viel Erfahrung mit kirchlichen Bauten hatte. Die Schweizerische Bauzeitung bezeichnete dieses Projekt als den Höhepunkt seiner beruflichen Tätigkeit. Rund drei Jahre nach dem verheerenden Brand konnte die neue Kirche bereits geweiht werden. Der Innenausbau wurde im Wesentlichen im alten Stil nachgebaut, es gab dennoch einige Änderungen: Der Kirchenraum wurde erweitert, die Emporen neu konzipiert und die Ausstattung schlichter gestaltet. Die augenfälligste, wesentlichste Änderung am Gebäude war der neue Turmaufsatz: Der ursprünglich aufgesetzte Helm war demjenigen des Zürcher Grossmünsters nachempfunden, während der 1946 erstellte Aufsatz ganz dem Stil der Zeit entsprach und der Kirche ein moderneres Aussehen verlieh.
Die Kirche verfügt über zwei Orgeln, die sich im Chor und auf der Empore befinden. Die farbigen Glasfenster stammen von Max Hunziker (1901–1976).
Die evangelisch-reformierte Kirche Thalwil ist einer der wichtigsten Sakralbauten des Klassizismus in der Schweiz und steht unter Denkmalschutz.
