Tidlig på 1100-tallet reiste Sigurd Jorsalfar en kirke på dette stedet, som trolig var en hedensk helligdom før kristendommen kom til Norge.
Kirken nevnes som en romersk basilika med et stort tårn på midten. Etter en brann i 1360 og et kraftig jordskjelv i 1755, ble gjenreisningen i 1760 ensbetydende med omfattende endringer.
Restaureringen i 1860 ga Tjølling kirke preget den fortsatt har i dag. Kirken har en særlig vakker altertavle med søyler fra 1630-årene, og altermaleri fra 1760-årene.
De ulike stilepoker gjenspeiles i interiøret der renessanse-talerstolen fra 1589 står i en særstilling. Tjølling kirke har også særtrekk utvendig, blant annet et solur fra 1696.