I tornets nu igenmurade ljudgluggar finns bevarade s. k. kolonetter av kalksten med bladprydda kapitäl, en i sörmländska kyrkor mycket ovanlig företeelse. De har delat av tornets fyra ljudgluggar i vardera två hälfter, två rundbågiga öppningar och kan alltjämnt studeras på tornets insida. Kolonetterna har daterats till tiden 1240-1250 och kyrkan bör ha varit färdigbyggd, eftersom tornets utformning varit en av de sista åtgärderna vid byggnationen.
Under 1300-talet omvandlades Överselö kyrka från romansk kyrka till s.k. gotiska salkyrka. Ordet salkyrka betecknar en rektangulär byggnad med kor inkluderat kyrkorummet och avgränsat från menigheten endast genom ett skrank.
Det romanska koret försvann och långhuset fördubblades genom en utvidgning österut. Långhuset fick då sin nuvarande sträckning. Den nya kyrkans väggar blev högre än den gamlas och taket fick en djärv, spetsig resning. Invändigt försågs kyrkan med tunnvalv, som klättrade upp efter takbjälkarna och gav interiören en väldig rymd. Det högt sittande korfönstret är antagligen ursprungligt; det var alltså i början betydligt högre upp till valvet från fönstrets spets än vad fallet blev, när tegelvalven slogs in på 1400-talet. Även korets sydfönster är ursprungligt.
Den nuvarande sakristian antas ha tillkommit i sin helhet strax före 1450. Den kan dock vara från 1300-talet. Lägg märke till den vackra järndörren med fina ornament; den är ursprunglig!
Vid medeltidens slut måste Överselö kyrkas inre ha varit oerhört rikt. Det hade då ännu relativt unga fräscha kalkmålningar, altarskåpet var nytt och en lång rad förnämliga helgonbilder fanns placerade på sidoaltaren.
År 1626 försågs kyrkan med en utbyggnad på södra sidan, ett sidokapell. Åren 1671-72 fick tornet den nuvarande karakterisktiska huven, som är mycket pittoresk och representerar en byggnadstid som är endast sparsamt företrädd. Kyrkan hade 1641 - eller ev. året innan - härjats av brand efter ett åsknedslag. Då förstördes tornspiran och yttertaket, och även målningarna i valven skadades.
Åren 1881-82 försågs kyrkan med en utbyggnad på norra sidan, ett slags pendang till kapellet på sydsidan. Kyrkan fick härigenom karaktären av korskyrka.
1973 ”tvättades” långhusets målningar, som var starkt nedsotade. År 1980 var det det dags för en ny uppsnyggning av kyrkorummet.