Vallentunatrakten hade redan under forntiden en central betydelse. De många runstenar i trakten vittnar om en gammal kulturbygd. Omedelbart söder om kyrkan står en mäktig sten, som erinrar om Jarlabanke
Jarlabanke var den som "ägde ensam helaTäby" och "hela detta hundare". Stenen låg tidigare som tröskel i ett numera rivet vapenhus mot söder. En annan märklig runsten hittades vid kyrkans restaurering 1937 och sitter nu i vapenhusets vägg.
Kyrkan, som står vid norra stranden av Vallentunasjön, uppfördes på 1190-talet av gråsten. Den ursprungliga kyrkan bestod av långhus, ett mindre, kvadratiskt, rakslutet kor och ett torn i väster. Det användes som tillflyktsort i orostider. Bottenvåningen är täckt med ett massivt tunnvalv och ingången till ovanvåningen fanns sju meter ovanför marken.
Dit kom man med hjälp av stegar som snabbt kunde dras in när fara hotade. På 1200-talet tillkom en sakristia i norr. På 1400-talet utvidgades koret österut så att det till och med blev längre än långhuset. Ett vapenhus byggdes i sydväst och hela kyrkan fick tegelvalv som dekorerades med målningar, vitmenade 1763.
Tornet försågs med en hög träspira på 1580-talet. Hundra år senare byggdes ett gravkor över familjen Klingspor. Det var ursprungligen sexkantigt med kopparklädd huv och spira - ett stiltypiskt exempel på en fältherregrav under stormaktstiden. I en övre del förvarades tidigare begravningsvapnen efter att ha burits i begravnings-
processionen. Under gravkoret inreddes ett gravvalv som ännu finns kvar. Gravvalvet rymmer 23 kistor. Övervåningen är numera sakristia.
1856 slog blixten ned i kyrkan och tornspiran och det mesta av inredningen brann upp. När kyrkan sedan återuppbyggdes, togs inte hänsyn till den gamla arkitekturen. Kyrkan fick ett nytt kor, de medeltida tegelvalven ersattes av segmentvalv och tunnvalv, sakristian blev korsarm och mitt emot den byggdes en ny korsarm i söder. Gravkorets minnesrum blev sakristia, vapenhuset togs bort och dörrar och fönster togs upp och fick sin nuvarande form.
Tornet försågs med sadeltak. Predikstol, bänkar och orgelläktare är från tiden efter branden. Av altaruppsatsen som gjordes 1763-65 av bildhuggaren Dahlström i Norrtälje, återstår endast korset. Södra korsarmen är inredd som ett kapell och där står den nya dopfunten i trä från 1992.
Bland ljuskronorna märks den i koret av mässing från slutet av 1500-talet och silverkronan över dopfunten från mitten av 1700-talet. Kyrkklockorna hängde fram till 1832 i en klockstapel i kyrkogårdens sydöstra hörn. Denna klockstapel är numera riven. De gamla klockorna smälte vid branden 1856, men göts om 1857.