Kyrkan byggdes omkring 1340 av Nils Abjörnsson, dåvarande ägare av Engsögodset. Möjligtvis ersatte kyrkan då ett äldre kapell. Den är bevarad i sin ursprungliga form, förutom att det på 1700-talet tillkom två tillbyggnader. Det var dels det piperska gravkoret på 1730-talet och tornet i väster, som stod klart 1744. I och med dess tillkomst, signerat Carl Hårleman, revs den gamla klockstapeln utanför. Även kyrkogårdsmuren skedde på 1700-talet. I kyrkan hade man redan på 1600-talet öppnat den södra korsarmen och genom bågar förenat den med kyrkorummet. Fastän Ängsö kyrka tjänstgjorde som församlingskyrka, hade den dock från första början en prägel av slottskyrka med stort privat inflytande. Så pryds 1300-talsdörren till sakristian fortfarande av ett målat vapen, nämligen grundaren Nils Abjörnssons, en röd sparre på gul botten.