Die Mühle wurde 1620 erbaut. Nach einem Brand im Jahre 1780 entstand 1782 das heutige Gebäude. 1825 wurde das Wohnhaus in der heute bestehenden Form mit dem Giebel nach vorne an das Mühlengebäude angebaut.

Es handelt sich um eine der am besten erhaltenen Mühlen des Bergischen Landes. Sie steht seit 1984 unter Denkmalschutz. Das zweigeschossige Fachwerkhaus mit Backsteinsockel besitzt eine repräsentative Eingangstür mit Seitenfenstern, Schlagläden, Ladeluken und Schieferverzierungen. Die linke Achse der Mühle wurde 1937 erweitert, Teile des Gebäudes 1993 restauriert.

Die technische Einrichtung in der Mühle, Mahlwerk und Mahlgänge, sowie die Einrichtung aus dem Brotverkaufsraum aus den 1950er Jahren sind noch vollständig erhalten. Nur das Wasserrad ist nicht mehr funktionsfähig. Die Thielenmühle verfügte immer über zwei (Stein-)Mahlgänge mit Kronradgetriebe. Es wurde aber nur einer verwendet, da das Wasser stets knapp war. In der Mühle wurde Roggenschrot für die angeschlossene Schwarzbrotbäckerei gemahlen. Die Eheleute Kotthaus betrieben Bäckerei und Mühle bis 1975.

In einem Nebengebäude richtete Friedrich Wilhelm Götze 1887 seine erste Werkstatt zur Fertigung von Dichtungen für Dampflokomotiven ein, womit der Grundstein für die spätere Götze AG (heute Federal Mogul) gelegt wurde.

An der Thielenmühle steht ein Schild mit einem Segensspruch von 1937 (siehe Foto):

GOTT, in DEINER Obhut halt
Haus und Hof und Feld und Wald.
Bauer, Müller, Bäcker streben,
Korn und Mehl und Brot zu geben.
Segene DU mit weiser Hand
Feuer, Wasser, Luft und Land.
Hilf die Arbeit DU vollenden,
deutschem Volke Kraft zu spenden.

(LVR-Fachbereich Umwelt, 2011)