Tjøme kirke er en langkirke i nygotisk stil. Kirken er bygget i stein og tegl i 1866 på den tidligere middelalderskirkens grunn. Også stein fra den forrige kirken som ble revet 1865 er benyttet. Arkitekt Anders Thorød tegnet kirken, mens byggekomiteen bestod av Tjøme-skipsrederne Ole Larsen Røed og Lars Bache. Tjøme kirke ble vigslet 12. september 1867.
Mange elementer fra den gamle steinkirken er bevart. Altertavlen og prekestolen som er utskåret av den kjente danske billedskjærer Abel Schrøder mellom 1670 og 1676 er overført fra den gamle kirken. Av annen kirkekunst kan nevnes at krusifikset er utført i høygotisk stil og er fra første halvdel av 1300-å rene.
Gallerimaleriene som er fra 1600-tallet er sannsynligvis malt av Jørgen Schultz. Nærmest alteret ser vi 11 av apostlene. Nærmest utgangen ser vi derimot de fem kloke og de fem dårlige jomfruer. Døpefonten har tidligere stått i kirkemuseet, men ble ved restaureringen i 1950 ført tilbake til Tjøme kirke. Den er tidfestet til 1789. I koret henger dessuten et stort oljemaleri "Lasarus oppvekkelse", malt ca. år 1700.
Skutemodellene som henger i midtgangen er to fregatter, en fra ca. 1650 og en fra ca. 1850. I midtgangen henger det også tre lysekroner. Den midterste er fra siste halvdel av 1600 tallet, mens de to øvrige antas, p.g.a. sin senmiddelalderlige form, å være langt eldre. Klokkene teller 4 stykker, hvorav to er støpt i Amsterdan, henholdsvis: 1707 og 1712. De øvrige er støpt hos Olsen Nauens klokkestøperi utenfor Tønsberg.
Kirken er restaurert i 1949-1950, i 1991 og sist i 2006, i forbindelse med kirkens 140 års jubileum.