Malgré les analyses architecturales de D. Vermand qui attribue deux ouvertures de l’élévation sud, aujourd’hui comblées, au 12e siècle, il est difficile de dater précisément l’origine de l’église Notre-Dame de Thieux. La plus ancienne attestation connue de l’édifice en l’état actuel des connaissances se trouve dans le pouillé de la province de Reims rédigé vers 1320. L’église est alors sous le patronage de l’abbaye de Saint-Lucien de Beauvais qui possède également la ferme attenante. Au 16e siècle, l'église se trouve même dans le "pourpis" (l'enceinte) de la ferme (Monographie de René Martin, 1900).
D’après l’analyse stylistique et le contexte historique du plateau picard, il semble que l’église soit reconstruite au cours du 16e siècle à la suite des destructions subies lors de la Guerre de Cent Ans. La forme du chœur terminé par une abside à trois pans, les baies en arc brisé et le décor de la charpente décorée d’engoulants mordant les entraits permettent d’appuyer cette datation. Le portail en charpente et la façade occidentale à assises alternées de brique et pierre semblent un peu plus tardifs et se rapportent plutôt au 17e siècle.
Le dossier conservé aux Archives départementales de l’Oise concernant les travaux de l’église de Thieux permet de prendre connaissance de plusieurs chantiers réalisés au cours du 19e et au début du 20e siècle. Ainsi, la tuile qui couvrait les toits est remplacée par de l’ardoise en 1838. La toiture du clocher est réparée en 1886 par Édouard Lebègue, couvreur à Campremy. Dans le dernier quart du 19e siècle, des reprises de maçonneries sont réalisées dans l'élévation nord de la nef. Elles permettent d'agrandir les baies qui sont garnies de verrières. En 1900, la sacristie est entièrement reconstruite par Épamonidas Sélame, maçon à Bucamps. Enfin, Laly Mahieux, maçon à Thieux, réalise des travaux de maçonnerie en 1926. Les briques employées à cette occasion, proviennent de la briqueterie de Grandmesnil (commune de Campremy).
Photographe au service de l'Inventaire du patrimoine culturel de la région Hauts-de-France (2023).