Sur les plans historique et musical, la réputation de l'église dépasse largement les frontières grâce à ses orgues. Son orgue principal, œuvre de Johann Andreas Silberman qui date de 1741, est loué par Wolfgang Amadeus Mozart lors de son passage à Strasbourg en 1778, pour la beauté de sa sonorité. L'orgue est restauré ou transformé par Wetzel en 1836, Dalstein & Haerpfer en 1908, Schwenkedel en 1927 et 1943 puis Muhleisen en 1955.
L'Association des Amis de l'Orgue Silbermann de Saint-Thomas est créée en 1964, dans le but de restaurer l'instrument. Membre d'honneur, Albert Schweitzer décèdera à Lambaréné en 1965. La partie instrumentale est classée monument historique depuis le 24 septembre 1971 et le buffet depuis le 4 juin 1973. Après de longues négociations, le projet est accepté et les travaux sont réalisés par le facteur d'orgue Alfred Kern en 1979. La nouvelle disposition de l'instrument n'a pas permis de conserver la console originale à son emplacement et elle a été installée dans la nef latérale Nord-Ouest. La composition est la suivante (cf. Liste des jeux d'orgue):
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L'orgue de chœur à traction pneumatique est construit par Fritz Haerpfer, de la manufacture Haerpfer-Dalstein, d'après des plans d'Albert Schweitzer en 1906. Ce second instrument permet un meilleur accompagnement de la renommée chorale paroissiale. Schweitzer va longuement lutter contre un projet de rénovation de l'orgue Silbermann, dont certains registres, en très mauvais état, ne fonctionnent plus. La paroisse souhaiterait le voir transformer en un orgue symphonique romantique et le projet, plusieurs fois retardé, sera finalement réalisé en 1927 lorsque Albert Schweitzer sera au Gabon.
Dans l'église se trouvent plusieurs monuments funéraires, érigés entre 1130 à 1850. Les deux plus célèbres sont :
Parmi les nombreux autres monuments remarquables, on peut citer la plaque funéraire datant de la Renaissance d'un certain Nicolas Roeder de Tiersberg, qui frappe par la représentation réaliste d'un cadavre en train de se décomposer, érigée en 1510.
Une représentation de saint Michel, en style gothique tardif, fait partie après celle de saint Christophe à Wissembourg des plus grandes de leur genre en France.
Seule la rosace de la façade, figurant l'apparition à saint Thomas, a conservé jusqu'à aujourd'hui ses vitraux à plomb médiévaux. Vraisemblablement fabriquée vers 1250, il s'agit d'une rose à un oculus octolobé, entouré de seize grands médaillons disposés en deux cercles et seize panneaux d'interstice. La verrière est mise en verre blanc en 1822 après le passage d’une tempête ayant donné des vents de force d'ouragan, sauf pour la partie centrale, peinte en verre transparent coloré, qui a été conservée. Le panneau de l'incrédulité de saint Thomas est restauré pour moitié, en particulier l'apôtre et la partie inférieure du Christ. Les motifs végétaux des panneaux du pourtour sont remis en couleur par Pereyra en 1842 et partiellement modifiés par les restaurations suivantes de 1871, 1873 et 1906. D'autres panneaux modernes faits pour cette rose sont conservés au séminaire protestant. La rosace est classée monument historique depuis 1862 au titre d'immeuble.
La partie supérieure des grandes fenêtres, le long du bâtiment, est remarquable pour ses motifs architecturaux et végétaux. Les représentations de saints que l'on trouvait autrefois au-dessous sont victimes au cours du XVIe siècle de l'iconoclasme protestant. Les fenêtres murées du chœur sont ouvertes en 1985. Exploitant le symbolisme de la lumière, les nouveaux vitraux sont conçus et installés par Gérard Lardeur. Ils mettent en valeur l'imposant mausolée du maréchal de Saxe.
Les trois lustres situés dans la nef principale, fabriqués en laiton durant la première moitié du XIXe siècle, sont classés monuments historiques depuis le 25 février 1983 au titre d'objet.
Depuis la Révolution française et jusqu'en 2009, l'église Saint-Thomas ne possédait que deux cloches, dont un bourdon coulé en 1783 par Matthieu Edel, fondeur strasbourgeois, pesant 3,6 tonnes. En 2009, quatre cloches supplémentaires ont été coulées à la fonderie A. Bachert de Karlsruhe en Allemagne. Les nouvelles cloches pèsent respectivement 2 075, 1 549, 1 094 et 728 kg. Elles ont été inaugurées le 6 septembre 2009. L'ensemble, qui constitue l'une des plus grosses sonneries protestantes de France, sonne dans les tonalités la2, do#3, mi3, fa#3, sol#3 et la3.