Kyrkan ligger på en brant sluttning vid Hillersjöviken och platsen har förmodligen varit den centrala punkten i bygden sedan järnåldern. Söder om kyrkan finns tre storhögar, däribland ”Hildershögen” - varifrån kyrkan har fått sitt namn. Kyrkan omnämns redan år 1310 då en herr Olov anges som föreståndare för ”eccleasiae Hildishøgh”.
Kyrkan byggdes ca 1170 med absid, långhus, kor och torn i väster. Ett flertal runstenar är insatta i kyrkans murverk, men i östra ytterväggen finns två stenar utan runskrift. De är i stället ristade med det kristna korset, det ena även med ett djur i vikingatidens slingstil. Även i vapenhuset ligger överdelen av en runsten med följande bit av inskriften bevarad ”... sin fader. Gud hjälpe hans ande ...”.
Sakristian byggdes på slutet av 1300-talet eller början av 1400-talet.
Ingången är på kyrkans södra sida och än i dag finns den smala ursprungsingången kvar, då kyrkobesökarna klev direkt från kyrkogården in i kyrksalen. I dag är det ingång från vapenhuset - som byggdes på 1400-talet - in till kyrksalen.
Kyrkan fick sina första kalkmålningar på 1200-talet. Bäst bevarad av dem är målningen på korets södra vägg som föreställer tre heliga konungar till häst. Ansiktena är förstörda, men det går att se en av kungarnas lockiga hårman. På 1400-talet fick interiören nya målningar. I samband med att kyrkan renoverades på 1700-talet kalkades målningarna över och de flesta förstördes helt. Några kunde dock räddas under renoveringen 1921-22.
Kyrkan stängs
På en gemensam kyrkostämma den 31 oktober 1871 beslöt Färentuna och Hilleshögs församlingar om ”begagnande av Färentuna kyrka för båda församlingar gemensamt”. Beslutet fastställdes i skrivelse på Stockholms slott den 9 september 1873 och skrevs under av Oscar II.
Församlingsborna underhöll kyrkan i minsta möjliga mån, men 1921-22 sattes en större renovering i gång. Absidfönstret som togs fram på 1800-talet murades igen och den gamla gluggen togs fram. Golven läggs om och den fasta inredningen samt en del lösa inventarier konserveras. Träskulpturerna bärs ner från vinden och den fasta altarringen ersätts med en flyttbar kommunionsbänk. Konservator O Höök får uppdraget att knacka fram de gamla kalkmålningarna. 1928 får kyrkan elektrisk värmeledning i stället för de tidigare järnkaminerna. Samma år återinvigdes kyrkan som församlingskyrka av ärkebiskop Nathan Söderblom.