Kirken er beskrevet av Lorentz Dietrichson i 1892, av Nicolai Nicolaysen i 1862 og oppmålt av arkitektene Johan Meyer og Fredrik Pettersen i 1899. Det var på slutten av 1800-tallet aktuelt å rive kirken og bygge ny. Meyer og Pettersen gjorde (på initiativ fra Fortidsminneforeningen) undersøkelser og oppmåling etter at mye av bordkledningen ble fjernet: Byggets eldre form kom da til syne og de ble overrasket over at stavverket var i god stnd. Jens Z. Kielland påpekte overfor Herman Major Schirmer likheter i konstruksjonen med det samtidige Finnesloftet på Voss og fremholdt at kirken har en "overmaade" interessant konstruksjon. Kielland antydet at det kunne være en misforstått stavkonstruksjon eller en rester av eldre byggeskikk. Henrik Bull, Håkon Christie og Jørgen H. Jensensius har undersøkt bygget. Peter Anker omtalte i 1997 Røldal stavkirke som mer primitiv enn andre.