Det är inte mycket som finns kvar av den medeltida kyrkan

Utseendet har förändrats under åren. Den medeltida kyrkan bestod av ett långhus och var väldigt bred, ca 13,5 m invändigt. Den förste nämnde kyrkoherden hette Tidheman och tillträdde 1410. Under 1400 - talet försågs långhus och kor med valv och man ändrade fönstren i östväggen. Efter valvslagningen putsades och målades kyrkan. 

Vid en omfattande restaurering 1956/57 hittades rester av dessa kalkmålningar, som konserverades. Den vackraste och mest fullständiga, är kalkmålningen på östväggen över altaret, föreställande Nådastolen. Här kan man se Gud Fader hållandes den korsfäste Frälsaren och över korset svävar den helige Andes duva. Detta skall vara ett typiskt blidmotiv från medeltiden och återger den heliga Treenigheten. På Gud Faders högra sida avbildas evangelisten Johannes och på den vänstra sidan Maria med kronförsett huvud. Brevid Maria anar man ännu en kvinna, som anses vara Maria Magdalena med smörjelsekärl. Under allt detta löper en bård och man kan ana några mansfigurer, enligt Bengt Cnattingius skulle det kunna vara stiftare eller donatorer till målningarna. Det finns ytterligare några kalkmålningar i kyrkan och nämnas bär scenen på ena delen av den västra väggen. Det är en udda bild föreställandes en djävul som skriver på pergament, han antecknar namnen på "käringar", som pratar och skvallrar i kyrkan. Det beslöts på en sockenstämmna 1727 att Olof i Labbetorp skulle "hafva inseende på Kiäringarna under läktaren" med anledning av oljud i kyrkan.

Under denna restaurering hittades även den gamla kyrkporten i den södra muren, försedd med kalkmålning i smygen. Enligt en gammal uppgift i socknens herdaminne blev kyrkan målad 1479 och det kan ha utförts av mäster Amund eller en honom närstående målare. I och med ett intensivare järnbruk och en starkt växande folkmängd, blev kyrkan alldeles för liten under 1600-talet. 1704 byggde man därför till på den norra sidan och inredningen gjordes om, bland annat försågs kyrkan med nya fönster, nytt altare med altartavla och korbänkar. Tillbyggnaden på den södra sidan uppfördes först 1758 och skall ha utförts av murmästare Mattias Billberg, bl.a. tillkom då det vackra brädtunnvalvet. I och med detta hade kyrkan fått en korsform och den enkla rektangulära medeltidskyrkan med sin tydliga orientering mot altaret förstördes.

Förut saknade kyrkan torn men i och med att klockstapeln blev oduglig och måste tas ned och pga att dåtidens kyrkostil krävde torn, uppfördes ett stentorn 1767.Det är återigen murarmästare Mattias Billberg som utför arbetet. Tornet kröns av en träspira, som har inspirerats av Vreta Klosters torn, men p q a kostnadsskäl blev spiran mycket kortare. Storklockan är gjuten 1445 och sedan omgjuten 1712.På den finns inskriften "Audite,voco vos, ad sacra venite",vilket betyder "Hören, jag kallar eder, kommen till gudstjänst". Den lilla klockan är gjuten 1682 och sedan omgjuten 1751 och 1813. Det vackra triumfkrucifixet är utfört i mitten av 1300-talet av mästaren till Linköpings domkyrkas stora triumfkrucifix. Krucifixet återger Kristus på korset med en stark betoning av lidandet.

Kyrkan har ett stort antal orglar, med den vackra orgeln från 1710 i centrum. Denna orgel skapades av Isac Risberg till Uppsala domkyrka efter en förödande brand. När domkyrkan anskaffade en större orgel 1741 passade brukspatron Carl Tisell på Hättorp (stor gård strax utanför Tjällmo) på att förvärva orgeln till Tjällmo kyrka. En ny fasad till orgeln levererades från Vadstena. Denna Risbergsorgel har en mycket speciell stämning och år den enda kvarvarande i Sverige och eventuellt även i världen med medeltonstemperering och extratangenter. 1925 ersattes Risbergsorgeln med en ny orgel, som vid restaureringen 1956/57 flyttades till södra läktaren. Denna orgel ersattes 1971 av en ny orgel tillverkad i Lund, eftersom den gamla orgeln inte tålde det uppvärmda klimatet i kyrkan. Strax därförinnan hade den gamla Risbergsorgeln, tack vare en stor donation från en kvinna i bygden, restaurerats till ursprungligt skick. Det ursprungliga altarskåpet, som nu föryaras i Statens historiska museum, ersattes 1726 av en altaruppats skänkt av Isabella Orcharton på Johannisberg (en stor herrgård belägen vid sjön Lien).