La descripción arquitectónica del templo corresponde a una sola nave orientada de poniente a oriente. En el espacio interior, los tres primeros tramos están cubiertos por bóveda de cañón corrido, dividida por arcos fajones que se apoyan en pilastras, las cuales se ligan entre sí por un sencillo entablamento.
En el primer tramo se encuentran el coro y el sotocoro, ligeramente anticipados al primer arco fajón. El sotocoro está cubierto por una bóveda que descansa en un arco de medio punto de perfil rebajado, soportado por impostas que se empotran directamente en el muro.
El presbiterio, cubierto por una bóveda vaída de perfil escarzano que remata en una linternilla, es un espacio que se reduce en comparación con la nave y se encuentra enmarcado por un arco de medio punto que disimula esta característica.
El pueblo de Santo Tomás Xochimilco fue fundado por los mexicas, que en número de 4 000 llegaron con los españoles alrededor de 1521.
No se sabe cuándo ocurrió la erección del templo, pero es muy probable que desde su fundación haya contado con una sencilla edificación que sirviera para la evangelización.
