Långtora kyrka är en medeltida kyrka med ett högt och spetsigt tak som syns långt över slätten. Kyrkan är byggd av tegel på grund av gråsten, putsad och med spåntak.
Kyrkans tidigaste delar är från 1200-talet, och eventuellt var dessa delar ursprungligen en sakristia av trä uppförd bredvid en kyrka av trä. Detta var ett vanligt sätt att i olika steg uppföra kyrkor under medeltiden. Huvuddelen av Långtora kyrka är från höggotisk tid på 1300-talet. Omkring år 1500 fick kyrkan sina mycket vackra kryssvalv – den tid då konsten att slå vackra valv var som allra högst utvecklad. Långhuset har ett åttadelat kryssvalv och ett mycket utstuderat valv med en korsstjärnha med ett ett grekiskt kors i mittfältet, och ytterligare ett mönster i det. I korvalvet är det en Sturestjärna.
Kyrkan får ljus från fönster i alla riktningar, och kanske särskilt från ett medeltida gotiskt fönster i koret som åter togs fram i samband med den senaste restaureringen på 1950-talet. Före restaureringen fanns en altartavla målad av Eric Wahlbergsson från bygden. Runt altartavlan fanns ett ramverk med pelare vid sidorna och en båge dekorerad med änglar ovanför. Själva tavlan sitter nu på korets södra sida, över dopfunten, medan insamningen finns på Historiska muséet.
I många uppländska kyrkor är valv och väggar ofta täckta av medeltida kalkmålningar. Så inte i Långtora. Däremot finns i basen av valven några ”gubbansikten ”. Motsvarande gubbar finns i några kyrkor i Uppland och angränsande landskap. I de flesta kyrkor finns hela gubbfigurer medan det i Långtora endast finns gubbansikten. Vad gubbarna fyller för funktion är oklart, men en tolkning är att de ska symbolisera kraft och göra valven särskilt starka och stabila.
Några skulpturer och målningar från Långtora kyrka är idag deponerade på museer. Kyrkans dopfunt, som står i koret, är av kalksten och tillverkad på 1200- m talet i gotländsk stil. På foten finns fyra utskjutande huvuden; ett eller två människohuvud, en gumse, och ett vilddjur. Den är utförd i gotländsk kalksten.
Utanför kyrkan finns två runstenar. En av dessa har ingått i kyrkogårdsmuren, och den andra har varit tröskel i vapenhuset. Inne i vapenhuset finns också två märkliga stenmonument som återfunnits vid renoveringar. Dels finns en bildsten från 1000-talet som fanns i muren till en medeltida sakristia, och dels en gravsten med runor som länge låg på högaltaret och därefter i kyrkans golv.
Predikstolen från 1841 är i nyklassisk stil. Orgeln är från 1836 och är byggd av orgelbyggaren Per Olof Gullbergsson från Lillkyrka, som självlärd byggd ett antal orglar varav den i Långtora räknas som en av hans bästa.