La chiesa ha avuto una storia decisamente travagliata. In epoca romana qui si trovava la necropoli principale, su cui venne eretta più tardi una chiesetta paleocristiana. Nel XI, a fianco di questa venne costruita una nuova chiesa dai Carmelitani, che nel 1316 venne dedicata a S. Tommaso Cantauriense. Le due chiese continuarono ad esistere una accanto all’altra fino a quando, nel 1484, si decise di unificare i due edifici. Il nuovo tempio fu consacrato nel 1504. Dal 1796 al 1867 le strutture religiose del complesso di S. Tommaso vennero chiuse e riaperte al culto a più riprese. Nel 1882, infine, subì anche gli effetti della disastrosa piena dell’Adige.
La chiesa presenta caratteristiche dell’edilizia romanica e di quella neogotica. Sulla facciata in mattoni, incompiuta, si apre un portale gotico in marmo (1493) con decorazioni vegetali e statue di santi guerrieri, un rosone del 1518 e due bifore in stile gotico.
L’interno a croce latina a navata unica fu ristrutturato intorno alla metà del XVI sec. da Michele Sanmicheli, che è sepolto qui, in una tomba in stile neoclassico (1884). Lungo le pareti sono disposte delle cappelle rinascimentali, con grandi altari barocchi. Si possono osservare, inoltre, opere di Alessandro Turchi (l’Orbetto), Antonio Balestra, Girolamo dai Libri, Felice Brusasorci, Paolo Farinati e Francesco Torbido. Da ricordare anche il grande organo barocco, su cui suonò il tredicenne Mozart.