土庫順天宮草創於17世紀中葉間，據耆老訪談紀錄指出，古代渡來漢人拓墾初期即有一土角厝小廟。

1834年（清治道光十四年）有信眾捐廟地一所興建後殿，六年後完工，供奉觀世音菩薩。

1852年（清治咸豐二年）重修前殿，並增建左廂。

1876年（清治光緒二年）補建右廂。

土庫順天宮自清治時期完工至日治時代已過幾十載寒暑，廟身漸呈老態，遂於1936年（日治昭和十一年）興工重修，兩年後峻工終成今日廟貌。

1940年（日治昭和十五年）台灣實施皇民化運動，全台多處寺廟均遭拆除，鄉人唯恐剛重修之古廟遭毀滅性打擊，乃配合日本「古義真言宗台灣開教計畫案」，成為該案第三十四所關係寺廟，並自日本迎請一尊觀音塑像供奉於正殿，廟內諸神皆移至後殿，土庫順天宮因此逃過一劫。

1945年（民國三十四年）台灣戰後時代，土庫順天宮聖母回歸正殿繼續接受信眾香火。2012年雲林縣政府公告土庫順天宮為縣定古蹟。2013雲林農業博覽會期間獲選為農博百大亮點。