Törnevalla kyrka ligger på en höjd som gör att den syns på långt håll. Den äldsta kända kyrkan var uppförd av sten under 1100-talet eller 1200-talets första hälft, men dess ursprungliga planform är inte klarlagd. Det är även oklart om tornet uppfördes samtidigt med långhuset eller om det uppfördes något senare. Tornet och delar av långhusets västgavel är idag det enda som återstår av den medeltida kyrkan. Tornet är uppfört av kalksten med träbjälklag. De övre våningarna når man via en öppen trappa från vapenhuset. I tornets andra våning finns en ursprunglig öppning i östmuren som lett in i det medeltida långhuset.
Redan 1797 påbörjades diskussionerna om att ersätta den bristfälliga gamla kyrkan med en ny kyrkobyggnad och 1817 stod den nya kyrkan klar och hade uppförts i anslutning till det medeltida tornet med ett rektangulärt långhus med något smalare absidformat kor i öster. Sakristian förlades under koret med nedgång bakom altaret. Interiören fick en för tiden typisk utformning med ett ljust och luftigt kyrkorum med ett putsat tunnvalv. Den äldre predikstolen, tillverkad 1733 av Niclas Österbom i Norrköping omändrades till en altarpredikstol. Altarbordet är tillverkat av polerad marmor. Det är signerat av stenhuggaren Erik Hulström och det finns även noterat att det är tillverkat vid marmorbrotten i Ljungs socken. Orgeln tillkom 1833 och är byggd av Gustaf Andersson.