Genom ett fynd av den s k Eskilstunakistan i kyrkans golv vid restaurering, vet man dock att den nuvarande kyrktomten var en kristen begravningsplats redan i mitten av 1000-talet. Ungefär samtidigt tror man att den fösta mindre kyrkan uppfördes. Det tros ha varit en liten träkyrka, knuten till en närbelägen stormannagård. Senare byggdes en stenkyrka som fick tjäna som Guds hus fram till början av 1700-talet. Då ansågs kyrkan för liten för församlingen, varför en ny kyrka utökad mot norr och väster, uppfördes i gustaviansk stil. Delar av de södra och östra väggarna fick stå kvar, medan resterande delar revs.
Ekeby nuvarande kyrka byggdes 1772-1775. Vid utbyggnaden användes dels sten från den gamla kyrkan, dels material från det närbelägna Hällabrottet. Då Ekeby vid den här tiden saknade skog, vände sig socken till landshövdingen för att få hjälp med behövligt timmer. Denne anvisade då överblivet timmer från ombyggnaden av Örebro slott.
Ekeby kyrka har under de sista tvåhundra åren genomgått flera renoveringar. Bland annat har värmesystemet ändrats flera gånger, olika målningar på väggarna har tillkommit och tagits bort, och nya bänkar har installerats. Nämnas kan att man vid restaureringen 1964 under kyrkgolvet, återfann grunden till den medeltida kyrkan. Vid den senaste restaureringen som utfördes 1994, har man försökt att återställa kyrkan till den ursprungliga rokokostilen.