La Chiesa del Rosario, dedicata in un primo momento a San Martino, è stata costruita probabilmente dopo la distruzione dell'antico castello, avvenuta agli inizi del Trecento. Alla fine del Seicento, la Chiesa fu intitolata alla Madonna del Rosario.
Infatti dopo la battaglia di Lepanto del 1571 contro i turchi, era molto cresciuta la devozione alla Vergine.
La storia di questo luogo di preghiera è legata alla presenza delle Confraternite Religiose. Le Confraternite sono nate nel medioevo e si sono moltiplicate dopo il Concilio di Trento (1545-1563).
Presso la Chiesa, in quell'epoca intitolata a San Martino, aveva sede la prima confraternita della storia di Thiene, dedicata a Santa Maria. La Chiesa era in origine costituita da un'unica sala e da una piccola abside.
Dopo l'aggiunta delle due cappelle laterali, alla fine del Quattrocento, la pianta della Chiesa assunse la forma di croce latina. Tra il 1675 e il 1699 le due cappelle furono allungate diventando due navate laterali.
Nello stesso periodo, fu aggiunto il presbiterio oggi chiamato Cappella del Santissimo Rosario e gli spazi interni furono riorganizzati.
Le tre navate sono divise da arcate a tutto sesto poggianti su coppie di colonne in marmo e capitelli ionici.
La navata centrale è coperta da una semplice volta decorata con cornici e lesene e con quattro affreschi degli Evangelisti.
Le navate laterali sono divise in tre campate ciascuna con i soffitti decorati da affreschi e stucchi barocchi. Il presbiterio è il complesso più importante della Chiesetta del Rosario per il valore artistico degli elementi compositivi, ed è un capolavoro di decorazione barocca in stucco di autori sconosciuti.
Festoni, cornucopie, motivi floreali e graziosi angeli inquieti incorniciano dipinti e affreschi del presbiterio.
maestoso altare barocco in marmo è incastonata la pala datata 1590 e firmata dal pittore padovano Matteo Grazioli, raffigurante la Madonna del Santissimo Rosario tra S. Domenico e S. Caterina di Siena. Attorno vi sono quindici formelle che rappresentano i Misteri del Rosario.
Il pavimento, a quadroni di marmo rosso e bianco di Asiago, risale al 1783.
