Au Xe siècle s'élevait un monastère, disparu, à Thil. Au croisement de la D114 et de la route menant au nouveau bourg, le Vieux-Bourg évoque les origines de Thil-sur-Arroux. Au Xe siècle, les moines de l'abbaye de Saint-Martin d'Autun s'installent sur leur terre de Thil, et élèvent un monastère qui devient un prieuré fortifié et une église romane dédiée à Saint-Martin. Construit sur une terrasse naturelle en forte élévation, il surplombe la Vallée de l'Arroux. Les moines cultivent la terre de Thil. Si l'on en croit l'abbé Baudiau, l'enceinte fortifiée tient lieu de refuge pour les sujets du prieuré "qui [ont] droit de se retirer, avec leur butin, en temps de guerre et d'imminent péril ; mais [qui sont], en conséquence, tenus d'y faire guet-et-garde et d'entretenir, à leurs frais, les fortifications en bon état."
Au XVe siècle, le prieuré est épargné par les Ecorcheurs qui sévissent en Bourgogne. En revanche, il subit les méfaits de la Révolution. En 1846, l'église prieurale est finalement vendue et démolie. A cette date, d'imposants vestiges de l'église sont encore visibles d'après l'abbé Baudiau (v 1854). Ses pierres sont réemployées à Saint-Maurice-les-Couches et à Saint-Didier-sur-Arroux pour la construction de l'église. Après le Concordat, l'ancienne paroisse de Thil est annexée celle de Saint-Didier. Le village doit attendre 1857, pour qu'une nouvelle église soit construite. Les recherches d'archives du CECAB attestent ces dates. L'abbé Baudiau au XIXe siècle décrit l'église prieurale : "elle se composait d'un chœur en abside, d'un transept, au-dessus duquel s'élevait une grosse tour romane, avec des baies géminées, garnies de colonettes, et d'une nef cintrée en bois. L’intérieur du sanctuaire était orné de colonnes cannelées et arquées; Les quatre arcades qui supportaient la coupole, avaient leurs retombées sur des colonnes engagées, avec chapiteaux historiés. On y remarquait les emblèmes des évangélistes : l'ange, le bœuf, le lion, et l'aigle. Le portail s'ouvrait sous une riche voussure, appuyée sur des colonnes, surmontées de chapiteaux élégamment sculptés, où l'on voyait des figures de moines." L' église a été etudiée et dessinée par Bulliot . Aujourd'hui, il n'y a plus aucune trace du prieuré et de son église. Entouré de murs, le château de Thil du XIX e occupe l'emplacement du Vieux-Bourg et de l'ancien monastère.