土库顺天宫主祀天上圣母，庙方认为建於清顺治年间（西元1644-1661年），建庙之初名为「土埆庙」，但依据清光绪20年（西元1894年）倪赞元（生卒年不详）编纂的《云林县采访册》记载，土库顺天宫是在清道光14年（西元1834年）动工兴建，清咸丰、清同治年间都有过重修。
清咸丰2年（西元1852年）地方仕绅应信众要求，分掌庙内各项事务，并重修前殿、敬圣亭、左厢等。清光绪2年（西元1876年）陈适均（生卒年不详）等人邀集各商号，共募得千余圆增建右厢，奠定了今日土库顺天宫的格局。
从清代步入日治时期，土库顺天宫的建筑已显老旧，昭和9年（西元1934年）由乡绅筹募重修庙宇的资金，委请土库街长筱崎喜代吉（生卒年不详）担任兴建董事，工程於昭和11年（西元1936年）农历1月18日动工，这次工程请到大木匠师陈应彬弟子胡贤（生卒年不详）、王益顺弟子王锦木（西元1909-1996年）分别执篙进行对场作，石雕则委由蒋九（西元1899-1973年）与蒋泉（生卒年不详）和石铺（生卒年不详）负责，交趾陶与剪黏是由洪坤福弟子陈天乞（西元1906-1991年）施作，土库顺天宫的修建可说集合了当时名师於一处。
日治时期昭和15年(西元1940年)筱崎喜代吉乃配合「古义真言宗台湾开教计画案」，申请加入为该案第34所关系寺庙，在土库成立「台南州虎尾郡土库庄土库支部」，土库顺天宫成为「高野山大师教会支部」，正殿改奉祀日本群马县新田郡吉祥寺的卅三番观音，妈祖神像移至後殿，土库顺天宫才免遭日本政府损毁。战後恢复正殿供奉妈祖，观音移到後殿供奉。战後，庙宇的主要修建工程是在民国94年（西元2005年）整理左、右厢房与屋顶、神龛，民国98年（西元2009年）改建龙虎门。
土库顺天宫是一座坐西北朝东南的庙宇建筑，建筑平面布局属於三落二院之建筑格局，三落即三川门、拜亭与正殿、後殿，之间以檐廊相接，左右为龙虎门与厢房。
土库顺天宫主祀天上圣母，正殿为供奉主神的神圣空间，正殿室内的明间设置木隔屏作为神龛，次间设置弯光门通往後殿，明间神龛主祀天上圣母，神龛前供奉千里眼与顺风耳、虎爷神像，千里眼与顺风耳的造型并非手持兵器，而是分别手持元宝与朱笔。神龛上方悬挂的「至哉元神」匾额，年款「咸丰贰年桐月谷旦」记录清咸丰2年（西元1852年）重修的历史。
後殿室内的明间设置木隔屏作为神龛，龛内供奉观音佛祖、善财、龙女、韦驮、伽蓝，左次间神龛供奉境主公、文判官、武判官，右次间神龛供奉注生娘娘与两位婆姐，室内两侧墙前分别供奉十八罗汉。
左、右厢房的明间设置木隔屏作为神龛，左厢房神龛供奉三官大帝，右厢房神龛供奉梓潼帝君、关圣帝君、孚佑帝君，这三尊神只合称为文昌帝君。左厢房神龛上方悬挂「灵显三元」匾额，右厢房神龛上方悬挂「柄掌文衡」匾额，这两块匾额的年代分别为昭和12年（西元1937年）与昭和13年（西元1938年），记录土库顺天宫曾在昭和年间重修的历史，然而匾额的年款「昭和」二字皆被清除，反映台湾社会在经历政权转移大肆清除日本天皇年号。
百年历史的土库顺天宫典藏许多历史文物，云林县政府在民国106年（西元2017年）依据文化资产保存法，公告土库顺天宫签诗印板、土库顺天宫大符令印板、土库顺天宫日本观音、土库顺天宫石香炉、土库顺天宫观音殿顶桌为云林县古物。其中特别是「土库顺天宫日本观音」，如前述，这尊佛像是昭和15年（西元1940年）营请来台，造型为一面四臂的站姿观世音菩萨像，台座有「卅三番」题记，今日云林境内的元长鳌峰宫、褒忠马呜山镇安宫都有保存不同番号的观音。
清咸丰2年（公元1852年）马龙瑞所书「鸢飞月窟地，鱼跃海中天」
悬挂于正殿神龛上方的「至哉神元」匾额，为清咸丰2年（公元1852年）庙宇重修之文物。
后殿明间神龛主祀观音佛祖，镇殿佛像前方为云林县政府公告文物「土库顺天宫日本观音」。
配置于正殿右侧的殿宇主祀文昌帝君、关圣帝君、孚佑帝君。
时计、自转车商所寄付的龙堵，见证日治时期地方商业发展。