Hammarby kyrka är en putsad gråstenskyrka med branta spånklädda sadeltak. Långhuset är orienterat i öst-västlig riktning och har en rektangulär plan som är något oregelbunden i väster. Det är enskeppigt och har fyra kryssvälvda travéer. En sakristia finns vidbyggd på norra sidan och ett vapenhus på södra sidan. Långhusets västra del utgjorde förmodligen långhuset till en mindre romansk kyrka från omkring 1200. Under första delen av 1300-talet utvidgades kyrkan åt öster då nuvarande kor och sakristia tillkom. Valven i den romanska delen murades omkring år 1400. Då byggdes även nuvarande vapenhus som troligen ersätter ett tidigare vapenhus av trä. 1678 rasade långhusets östligaste valv och valvet över koret. Dessa återuppbyggdes samma år. På 1770-talet förstorades kyrkans fönster. Hammarby kyrka är en av ett fåtal medeltidskyrkor som aldrig har haft fönsteröppningar mot norr. Vid en restaurering 1959 putsades väggarna om invändigt och utvändigt. Kyrkans byggnadshistoria reviderades om och man kom fram till att kyrkans del var äldst. Tidigare trodde man att sakristian var äldst och hade tillhört en tidigare träkyrka.