Den gamla kyrkan i Mjölby är från 1100-talet och var på den tiden försedd med ett högt torn, där man 1751 satte upp ett slagur med urtavla och visare. Vid den här tiden fanns det ingen landskyrka i hela Östergötland som hade en sådan anordning. De vanliga kyrkklockorna hängde i en fristående klockstapel.
År 1771 brann den gamla kyrkan, prästgården och en stor del av hela kvarnbyn. Av 1100-talskyrkan återstår nu endast delar av tornet. Den nuvarande kyrkan byggdes 1772-1779.

Speciellt för den nya kyrkan är korets vackra glasmålningar som komponerades av C.H. Crodel i München 1968 och utfördes av firman Franz Mayer i samma stad. Koret består av tre fönster som återger treenigheten. Dopfunten är tillverkad på 1620-1670-talen i Skänninge och Vadstena.