La construction du couvent qui abritera le noviciat de Dominicains, également appelés Jacobins du fait que leur première maison était rue Saint-Jacques, interviendra entre 1735 et 1739. La façade de l'église, dessinée par un religieux du couvent nommé le Frère Claude, sera élevée en 1766. Les paroissiens inaugureront le grand orgue de François-Henri Cliquot en 1771.

L'Assemblée Nationale modifia la carte des paroisses parisiennes le 4 février 1791, en supprimant 27 d'entre elles et en en créant 9 nouvelles. L'église du couvent Saint-Dominique, érigée en paroisse en même temps que Saint-Germain-des-Prés, sera rebaptisée Saint-Thomas-d'Aquin et étendra son influence sur une partie de l'emprise de la paroisse Saint-Sulpice, dont dépendait jusqu'alors le récent faubourg Saint-Germain.

L'édifice fut dépouillé de ses tombeaux et oeuvres d'art durant la Révolution, comme la plupart des lieux de culte au cours de cette période. La bibliothèque de 14.000 volumes du couvent contigu, aujourd'hui affecté à des services de l'Armée, fut également pillée. Les moines seront expulsés par un décret de la Ville de Paris en date du 23 février 1792 et les bâtiments conventuels transformés en Musée de l'Artillerie, premier musée militaire de la capitale. L'église, transformée en Temple de la Paix, sera attribuée au Théophilanthropes en 1797, puis au Club des Jacobins. Les fonds baptismaux auraient été érigés en 1797 et bénis en 1798, le 3 Frimaire de l'An VI.

Remise en état entre 1800 et 1802, l'église sera rendue au culte en 1803. On y baptisera Joséphine de Marescot le 10 juin (21 Prairial de l'An XI), qui aura pour parrain et marraine Napoléon Bonaparte et Joséphine Tascher de la Pagerie. Ces derniers signeront le registre paroissial.

Elle recevra, le 26 décembre 1804, la visite du pape Pie VII venu à Paris pour le couronnement de Napoléon Ier.

Blondel exécuta les peintures murales de la chapelle Saint-Louis en 1841, de la coupole en 1845, de l'autel Saint-Vincent-de-Paul en 1848 et de l'autel de la Sainte Vierge en 1851.

L'église compta de nombreux paroissiens célèbres, parmi lesquels Claude Nicolas Ledoux, la mère de l'Empereur (madame Laetitia), Eugène de Beauharnais, Talleyrand, Cambacérès, Lucien Bonaparte, Madame de Staël, Madame Récamier, Delacroix, Chateaubriand, Marie d'Agoult, le maréchal Bugeaud, Huysmans, Montalembert, Louis Veuillot, Alphonse Daudet, Marc Sangnier, Guillaume Apollinaire et Bernanos.