En position dominante avec une vue panoramique sur le paysage environnant, entourée d'un parc de plus de 1 ha, la collégiale est éloignée de tout voisinage, à l'exception du château fort de Thil, reconstruit au 12e s. Jean II, seigneur de Thil et connétable du duché de Bourgogne, fonda la collégiale actuelle par acte du 10 mars 1340. L'édifice construit entre 1341 et 1344 fut consacré le 12 août 1344 par l'évêque d'Autun, sous le vocable de la Trinité de la Vierge.Bâtie en pierre de l'Auxois suivant un plan en forme de croix latine qui développe une nef unique de trois travées, prolongée à l'est par un chevet plat de deux travées et barrée par un transept à deux bras saillants, la collégiale est élevée d'un niveau. Deux chapelles s'ouvrent sur les bras nord et sud du transept. À l'ouest, le clocher précède l'édifice, déplaçant au sud l'entrée principale ornée de quatre tores en arc brisé qui reposent sur des colonnettes à chapiteaux à feuillages.Les pignons des bras sud et nord du transept, ainsi que les vestiges de larmier adossé au clocher, révèlent l'ancienne toiture à forte pente couverte de tuile plate, puis en pierre de lave et détruite par la foudre en 1893 - une étanchéité fut posée en 1926 à l'extrados des voûtes pour mettre l'édifice hors d'eau. De solides contreforts épaulent la poussée des voûtes, plus développés en façade sud où ils recevaient autrefois la charpente du porche d'entrée disparu. Les corniches à modillons soulignent l'arase des toitures. Les ouvertures sont réduites : une petite baie en tiers-point par travée et un triplet au chevet plat. Des meurtrières ponctuent chaque travée depuis l'ancien chemin de ronde et, comme certains détails du clocher, témoignent du caractère militaire défensif de l'église.La tour-clocher, de plan carré, buttée aux angles par des contreforts à ressauts, est élevée de quatre étages et coiffée d'un toit surbaissé à quatre faces, couvert de tuile plate. Seul l'étage supérieur s'ouvre sur chacune de ses faces, via deux fenêtres ogivales séparées par un pilastre et surmontées d'un revers d'eau saillant. Ces ouvertures sont divisées horizontalement par un meneau et flanquées de quatre gargouilles sculptées.

L'église

L'espace intérieur révèle une construction en petits moellons de pierre, originellement enduite sur l'ensemble des murs et voûtes. Seules la nef et le bras sud du transept conservent des traces de décor peint. Une unique peinture murale figurée subsiste sur le bras sud du transept, représentant la décollation de saint Jean-Baptiste et la Vierge avec saint Jean et le Christ. La périphérie intérieure de la nef présente des vestiges de litre funéraire ornée de blasons non identifiés. Le dallage en pierre de Bourgogne demeure en place dans sa majeure partie. Les vitraux d'origine, disparus, ont cédé la place à un verre incolore.
L'architecture intérieure développe un transept aux croisillons aussi larges et élevés que la nef, composés chacun d'une travée unique à nervures croisées. Ces dernières reposent sur des consoles historiées qui constituent l'unique ornementation sculptée de l'édifice. Le chœur s'organise en deux travées à nervures que sépare un arc doubleau. L'abside plate s'ouvre par trois fenêtres ogivales dont la centrale, plus haute, domine l'ensemble.
La statuaire des consoles révèle une iconographie variée : les consoles d'angles du chœur et de l'abside portent des têtes humaines, tandis que celles supportant l'arc doubleau figurent deux dragons combattants d'une part, la Vierge assise et couronnée par deux anges, d'autre part. Entre la nef et le transept, les consoles présentent des scènes plus complexes : une femme et deux hommes dont l'un gît sur le dos, cinq personnages enchevêtrés, des animaux - cerf couché, sanglier, chien - et deux bœufs luttant.
L'organisation liturgique comprend l'autel principal en maçonnerie surmonté d'un tailloir, placé au centre du chœur. Une petite chapelle en berceau s'ouvre à droite du chœur, probablement utilisée comme sacristie malgré la présence d'un massif d'autel maçonné. Deux chapelles supplémentaires, couvertes de voûtes ogivales en berceau et dépourvues de sculpture, s'ouvrent sur le transept.
L'accès au clocher s'effectue via une porte basse centrale que surmonte un escalier en bois menant à l'appartement aménagé aux étages supérieurs. Une porte récente, percée dans le mur nord de la nef face à l'entrée principale, assure la liaison avec le parc.

Le clocher

Transformé en habitation au début des années 2000, puis entièrement réaménagé en 2013, l'appartement se développe sur quatre niveaux dans la tour-clocher. L'accès principal s'effectue par une porte vitrée suivie d'une double porte en planches cloutées menant au premier étage. Cet espace de vie regroupe salon, salle à manger et cuisine ouverte, dans un volume aux murs enduits, avec sol en tomettes et plafond à la française. L'éclairage naturel provient d'une baie en plein cintre équipée d'une fenêtre double vitrage ornée d'un vitrail incolore.
Les étages supérieurs, desservis par un escalier en bois à double quart tournant, proposent deux chambres identiques aux deuxième et troisième niveaux. Chacune est associée à une salle de douche et des toilettes privatives. Les murs en pierre apparente sont éclairés par deux fenêtres double vitrage à vitrail incolore. Le deuxième étage conserve un plafond à la française, le troisième ouvrant sur les anciens combles, actuellement l'extrados des voûtes découvertes.
Le rez-de-chaussée bénéficie d'un accès indépendant via une voûte en plein cintre fermée d'une porte en planches cloutées. Cette salle voûtée à nervures, pavée de dalles de Bourgogne et percée de deux meurtrières, accueille salon, buanderie, sanitaires et installations techniques.

Le parc

La collégiale occupe une position centrale dans son parc enherbé de quelque 1,3 ha, d'où la vue porte au loin sur les paysages environnants. Une allée de tilleuls vieux de plus de 300 ans, aux formes tortueuses façonnées par les conditions climatiques difficiles du sommet, relie l'édifice au château fort adjacent, selon une tradition pluriséculaire, et structure la pelouse ponctuée d'iris, rosiers et vivaces locales. Des prunus aux feuillages pourpres et des cotinus apportent texture et couleurs à cet espace où le nom même de "Thil" évoque l'ancienneté de la présence des tilleuls.