Der Backsteinbau wurde 1867 von keinem Geringeren neu gestaltet als vom preußischen Baumeister Friedrich August Stüler. Mit einem fast 100 Meter hohen Turm gehört die Kirche zu den größten Stadtkirchen im vorpommerschen Raum.
Ihr Name geht zurück auf den Jesu-Jünger Bartholomäus, im Neuen Testament auch Nathanael genannt, der von einwandernden Siedlern als Schutzpatron ihrer Zünfte verehrt wurde. Ungewöhnlich hell ist der Innenraum der dreischiffigen Hallenkirche, der derzeit nach Stüler-Vorlagen von 1867 restauriert wird. Besonderheiten im Innenraum sind neugotische Fresken und Glasfenster mit Szenen aus der Bartholomäus-Nacht.
Beim Eintritt fallen Gästen lebensgroße Gipsskulpturen im Chorraum sowie die Stüler-Kanzel ins Auge. Sie wurde der Form des Steinturmes nachempfunden und ist mit fünf Statuen gestaltet, der des Bischofs Otto von Bamberg, der des pommerschen Herzogs Wartislaw I., der von Alwinius, des ersten Priesters der Kirche, der von Martin Luther sowie der von Johannes Bugenhagen. In einer ständigen Dauerausstellung wird über die Person und die Missionarsreise Otto von Bambergs berichtet, der in Demmin Station machte. 2011 feierte die Kirche das zehnjährige Jubiläum der Buchholzorgel.
