La chiesa è a navata unica, con tetto a capanna, concluso sulla facciata da un timpano ornato con le statue di S.Maria Assunta e dei SS. Pietro e Paolo e con lo stemma di Thiene ricollocato sulla facciata dell’attuale duomo; la Chiesa venne consacrata nel 1746.
Tra il il 1792 e il 1796 l’architetto vicentino Ottone Calderari (1730-1803) procede al restauro della chiesa; si ingrandisce il presbiterio, si erigono sei altari e si arricchisce la navata unica con un “soffitto alla ducale” vero gioiello per la struttura lignea e le decorazioni dorate dei lacunari e per le tele di scuola veneta incastonate con pregevoli dipinti; il soffitto incastona 15 preziose tele, opere di artisti Veneti, che operarono tra il 1600 ed il 1700 (Carpioni, Ballante, Pittoni ed altri): l’Assunta di G.B. Pittoni, un’Ascensione attribuita a Giulio Carpioni e una Presentazione al Tempio di Antonio Zanchi.
Nel 1904 iniziano i lavori affidati dall’Arciprete Giuseppe Flucco all’architetto thienese Claro Patinati (1858-1932) che progetta un Duomo imponente in stile neo-classico inglobante la navata unica della chiesa seicentesca col prezioso soffitto. Tra il 1911 e il 1915 si aggiungono le due navate laterali ma i lavori si interrompono a causa della prima Guerra Mondiale; il nuovo Arciprete Angelo Faccin (1922-1947) prosegue con i lavori e nel 1924 si aggiungono il transetto leggermente aggettante ed un ampio presbiterio; tra il 1927 ed il 1930, sull’incrocio della navata mediana con il transetto, viene innalzata la cupola (m. 42) poggiata su otto colonne ioniche in marmo. Il Duomo così ampliato venne solennemente inaugurato l’8 dicembre 1932.
