Steinkirka består av minst tre byggefaser. Den nederste delen av muren fra gulvnivå og opp til 310 cm, i kor og hovedskip, er eldst. Den er murt opp av store kvadre kalksteinsblokker (rektangelhugde) med ulik størrelse. Basert på byggeskikk og profil i buen innvendig over østvinduet i koret, kan denne dateres til midten av 1100-tallet.

Andre byggefase starter ca. 3 meter over bakken, og her er det tydelig en helt annet byggeskikk. Murerarbeidet er mer nøyaktig, med regelmessige og pent opplagte kvadre. Det er vanskelig å si hvor mye yngre denne fasen er, enn den første. Vi vet derfor ikke om skillet mellom de to murfasene skyldes en midlertidig stopp i byggearbeidet, eller om en rett og slett har byttet murmester/byggelag.

Den tredje byggefasen omfatter sørskipet og trolig også deler av vestveggen. Dette er tynnere mur enn den opprinnelige middelalderdelen og ble oppført i 1711 og eventuelt de nærmeste årene.

En spennende detalj er dragehodene på kirkens gavler. Disse er datert til 1711, men er trolig en tradisjon fra gammelt av.

Dateringen av Gammelkirka har vært meget omdiskutert. Det finnes ingen kilder som kan gi en klar datering. Første gang den nevnes er i 1589, og da var det gått over 400 år siden den ble bygd.

Tidligere har det vært foreslått 1173-1200 som byggetid, basert på en dedikasjon til St.Thomas på en gammel alterbrem. Det ble foreslått at det dreide seg om Thomas Becket som ble helgen i 1173.

Argumentasjonen for dette syn går på at daværende erkebiskop Øystein Erlendson var en stor kirkebygger. Han levde samtidig med Thomas Becket og kan muligens ha kjent ham fra skolegang på St. Victor i Frankrike.

Et annet syn er at det dreier seg om apostelen Thomas, noe som betyr et tidligere tidspunkt som passer bedre med den anslåtte tidligste byggefase.

Uansett er det bare 50-70 år som skiller de omtalte hypotesene, og de fleste er i dag av den oppfatningen at Gammelkirka er bygd ved midten av 1100-tallet.

Men nøyaktig byggetid er ikke kjent.