Mellösa kyrkas äldsta delar är från 1200-talet (norra muren och i väster norr om de inre kyrkdörrarna). Under läktaren hänger en medeltida järnkrona, liksom en från 1600-talet.
Koret byggdes på 1760-talet av anledningen att makarna Beata Gustava Sparre och Gustaf Nils Clodt från Jürgenburg ville bygga ett gravkor åt sig. De har sitt vilorum i gravkoret under kyrkans altare. Makarna var barnlösa och ett av villkoren för bygget var att deras anträd skulle sättas där. Anträden är från 1760-talet. År 1953 beslutade kyrkorådet att de skulle tas ner och deponeras på hembygdsmusèet i Strängnäs. Dock flyttades de senare till annan förvaringsplats och de fick skador i stor omfattning och återupptäcktes av en slump. Med stöd av Riksantikvarieämbetet, enskild donation och en gåva från hembygdsföreningen har anträden restaurerats och konserverats. De kom åter till kyrkan och återinvigdes på påskdagen 2000.
Dopfunten är kyrkans äldsta inventarium. Skålen med flätade ringar är huggen i sandsten under 1100-talet. Den ursprungliga foten är ersatt med en nyhuggen.
Predikstolen skänktes 1666 av familjen Ulfsparre af Broxvik och restaurerades liksom kyrkan i övrigt 1976. På predikstolstaket finns Kristus och sex änglafigurer som bär på redskapen som Jesus pinades med: tången, ättikssvampen, korset, stegen, hammaren, och spikarna.
Altarkrucifixet har sitt ursprung som ryskt processionskrucifix från 1600- eller 1700-talet.
Kyrktornet byggdes 1874 av Jonas Malmberg.
Madonnabilden i trä är skänkt och tillverkad av Matts Mattsson 1999.