Dokumentariskt finns belagt Stoby torn in på 1600-talet. Därefter uppfördes en fristående klockstapel. Denna ersattes 1854 av nuvarande torn. År 1836 tillbyggdes kyrkan med norra korsarmen nu kallad nykyrkan. På 1400-talet slogs kryssvalv i kor och långhus. I absiden fanns från början ett så kallat hjälmvalv. Valven i långhuset revs ut på 1830-talet.
Målningarna på valvet i koret och triumfbågen frilades 1908-1909. Den rikt snidade och förgyllda altaruppsatsen är från Christian IV:s tid och bär hans namnchiffer. Oljemålningen i mitten, som troligen tillkommit på 1700-talet, föreställer nattvardens instiftande. Predikstolen i renässans är från 1592. Till denna hör ett omfångsrikt ljudtak eller en baldakin. Kyrkan har ett dopbord från 1700-talet som har snidats av Ullberg.
Kyrkan rymmer cirka 250 personer och medräknat nykyrkan 300 personer. Stoby kyrka är handikappanpassad.