Tjuvar stal omkring 12 ton bly från St Mary's Church i Great Brington i Northamptonshire tidigt på tisdagsmorgonen.
De tog bort mer än 3.000 kvadratmeter bly från kyrkan.
Prinsessan Dianas far, den 8:e Earl Spencer, är begravd i kyrkan, som också inkluderar Spencer Chapel.
Kyrkan ligger nära prinsessans stamsäte Althorp, som ärvdes av sin bror Charles Spencer, 9:e Earl Spencer, 1992.
Northamptonshire polisen sa att tjuvarna bröt sig igenom en grind och körde sedan in ett fordon i kyrkogården och körde över en gravsten på vägen.
Poliser som utreder stölden har bett alla som var i området vid den tidpunkten eller som vet något om stölden att kontakta polisen.
Rev Sue Kipling, rektor för Spencers välgörelse - som inbegriper Jungfru Marias kyrka med St John i Great Brington - sade: " Det är en enorm förlust för oss. Det kommer att kosta mer än 40 000 pund att ersätta.
"Du kan nu se solljuset komma in i kyrkan genom taket, även om Althorp gården har gett presenning för att skydda insidan av byggnaden på kort sikt."
Hon sade att kyrkan höll en gudstjänst och bad för tjuvarna.
Kyrkan är också ansluten till USA:s förste president. George Washingtons farfarsfar Lawrence Washington är begravd i kanslern.
Mer 40.000 pund bly har stulits från en 13th Century kyrka med kopplingar till den avlidne prinsessan Dianas familj.