Thutmose I đã thiết lập nên nhiều công trình xây dựng lớn dưới vương triều của ông, trong đó có nhiều đền thờ và lăng mộ, nhưng công trình lớn nhất của ông là tại đền Karnak dưới sự giám sát của kiến ​​trúc sư Ineni.[19] Trước thời Thutmose, Karnak có thể chỉ bao gồm duy nhất một con đường dài dẫn đến một bệ thờ trung tâm, với một số đền thờ con thuyền mặt trời dọc theo bên đường.[20] Thutmose là vị vua đầu tiên tiến hành mở rộng ngôi đền một cách mạnh mẽ. Thutmose đã cho xây dựng tháp môn thứ năm dọc theo con đường chính của ngôi đền, cùng với một bức tường chạy xung quanh khu vực thiêng liêng bên trong và hai cột cờ ở hai bên cổng vào.[20] Ở phía bên ngoài, ông đã xây dựng một tháp môn thứ tư và một bức tường vây quanh khác.[20] Ở giữa tháp môn thứ tư và năm, ông đã xây dựng một đại sảnh đường, với các cột làm bằng gỗ tuyết tùng. Loại kết cấu này vốn rất phổ biến trong các ngôi đền Ai Cập cổ đại, và được cho là tượng trưng cho một đầm lầy cói, một biểu tượng theo thuyết sáng tạo của người Ai Cập.[21] Dọc theo các cạnh của đại sảnh này ông đã xây dựng các bức tượng khổng lồ, mỗi một bức tượng lại luân phiên mang vương miện của Thượng Ai Cập và vương miện của Hạ Ai Cập.[20] Cuối cùng, bên ngoài tháp môn thứ tư, ông đã cho dựng lên thêm bốn cột cờ [20] và hai tháp tưởng niệm, mặc dù một trong số chúng đã sụp đổ đã không được chạm khắc cho tới tận thời của Thutmose III khoảng 50 năm sau đó.[19] Các cây cột bằng gỗ tuyết tùng trong đại sảnh đường của Thutmose I đã được Thutmose III thay thế bằng các cột đá sau này, tuy nhiên ít nhất là hai cây cột nằm về phía cực bắc đã được chính Thutmose I thay thế.[19] Hatshepsut cũng dựng hai tháp tưởng niệm của riêng bà bên trong đại sảnh đường của Thutmose I.[20]

Ngoài Karnak, Thutmose I cũng được xây dựng các bức tượng Ennead tại Abydos, các công trình tại Armant, Ombos, el-Hiba, Memphis, và Edfu, cũng như mở rộng thêm cho các công trình tại Nubia, ở Semna, Buhen, Aniba, và Quban.[22]

Thutmose I là vị vua đầu tiên chắc chắn đã được chôn cất ở thung lũng các vị vua.[15] Ineni đã được giao nhiệm vụ xây dựng ngôi mộ này, và có lẽ là đã xây dựng ngôi đền thờ cúng của ông.[7] Ngôi đền thờ cúng của ông đã không được tìm thấy, rất có thể vì nó đã kết hợp hoặc bị phá hủy trong quá trình xây dựng ngôi đền thờ cúng của Hatshepsut tại Deir el-Bahri.[23] Tuy nhiên, ngôi mộ của ông, đã được xác định là KV38. Một cái quách làm bằng đá thạch anh màu vàng mang tên Thutmose I đã được tìm thấy ở đó.[4] Tuy vậy, thi hài của ông có thể đã được Thutmose III cho di chuyển đến ngôi mộ của Hatshepsut, KV20, mà cũng có một chiếc quách với tên của Thutmose I trên đó.[15]