Im Kern stammt die Saalkirche mit geradem Ostschluss aus dem 12. Jahrhundert. Von diesem Bau blieben der Westturm und Teile der westlichen Wand erhalten. In der zweiten Hälfte des 15. Jahrhunderts erfolgten eine spätgotische Erweiterung nach Osten und Süden sowie die Errichtung eines Beinhauses im Zwickel zwischen Turm und Langhaus. Nach einem Brand 1631 baute man das vorkragende Turmobergeschoss, das mit einer welschen Haube abgeschlossen wurde. 1707 heiratete Johann Sebastian Bach (1685–1750) in der Kirche seine Cousine 2. Grades Maria Barbara Bach (1684–1720). An die Langhaussüdseite wurde 1710/11 ein neuer Emporenaufgang angefügt, wenige Jahre später erfolgte eine Neuausstattung des Inneren. Anstelle der alten Sakristei entstand 1817 ein Glockenhaus. Im 19. Jahrhundert führte man zudem die Langhausnord- und Ostwand neu auf.

Das Innere wird von einer Holztonne abgeschlossen. 1723/24 entstanden die Emporen und der Kanzelaltar mit seiner reichen architektonischen Rahmung und den Figuren von Christus und Moses, ein Werk von Heinrich Christoph Meil. Zur ursprünglichen Ausstattung der Kirche gehören Teile zweier mittelalterlicher Flügelaltäre: der große stammt aus der 1. Hälfte des 15. Jahrhunderts und zeigt eine Marienkrönung in der Mitte, der kleine mit Heiligen-Darstellungen entstand um 1500. Die Orgel von 1985 wurde durch die Firma Schönefeld aus Stadtilm unter Verwendung von Teilen eines Instruments aus Schöngleina, das in der 2. Hälfte des 18. Jahrhunderts entstand, geschaffen. Sie besitzt 18 Register und zwei Manuale. Das Epitaph von Christoph von Entzenberg (gest. 1585) zeigt den schwarzburgischen Oberhauptmann auf einen Löwen kniend in einer Rüstung.

Quellenangaben: Dehio Thüringen, 2003, S. 225; http://www.bach-in-dornheim.de/; http://de.wikipedia.org/wiki/St._Bartholom%C3%A4i_%28Dornheim%29