Rundkyrkan byggdes på 1100-talet, men hur den ursprungligen har sett ut har forskningen inget entydigt svar på. Kyrkan behöll sin runda form fram till 1700-talet, men då hade den blivit för liten för den växande församlingen. Därför byggdes kyrkan om till en korskyrka genom att den byggdes till i norr, söder och väster. Koret och absiden lämnades kvar som korsarm i öster. Den ombyggda, större kyrkan invigdes 1791. Men redan i slutet av 1890-talet föddes tanken på en helt ny kyrka. Antalet invånare i församlingen växte och det fanns önskemål om ett modernt och stort kyrkorum. Kyrkoråd och kyrkostämma ville riva den gamla kyrkan och kastalen och arkitekten Theodor Wåhlin fick i uppdrag att rita en ny kyrkobyggnad. Men Kungliga Vitterhets- Historie - och Antikvitetsakademien godkände inte rivningen utan ville att delar av den gamla kyrkan skulle bevaras. I samma veva upptäckte forskare att det låg en gammal rundkyrka i grunden och Wåhlin blev intresserad. Han ändrade nu sitt förslag så att rundkyrkan kunde bevaras och att den skulle sammanfogas med en ny kyrkobyggnad. Förslaget godkändes 1906, trots att Överintendentsämbetet ansåg att det blev ett ”så väldigt långt tåg av byggnader”. Tillbyggnaderna från 1700-talet togs bort och man tog fram den gamla rundkyrkan som sammanfogades med en ny kyrkobyggnad. Kyrkan invigdes den 12 juni 1910. Vid en renovering 2004 flyttades altaret från rundkyrkan till stora kyrkan och en glasvägg monterades mellan de två delarna. På så vis fick församlingen två kyrkorum i ett.
Dopfunten är en av Vallebergas största sevärdheter. Den är gjord i sandsten ca. 1170 av Trydemästaren. Vallebergafunten avbildar legenden om Petrus och Paulus, kejsar Nero och trollkarlen Simon.
I stora kyrkan finns ett medeltida altarskåp från 1500-talets första del. På den avbildas apotlar av vilka de stora bilderna på Petrus och Paulus i mitten är de viktigaste.
Predikstolen med Christian IV:s namnchiffer är tillverkad 1619. Mästaren är inte känd.
Bredvid kyrkan står en fristående kastal från 1400-talet. Det är ett kraftigt försvarstorn som tidigare ingick i en mur runt hela kyrkan.