Sundsjö gamla kyrka övergavs 1830 och den nuvarande kyrkan uppfördes strax därefter. Gamla kyrkan uppfördes som en rakavslutad korkyrka i granit med inslag av kvarsit och kalksten. 1702 byggs kyrkan till med ett torn i trä. Kyrkan har också haft en timrad sakrestia. Murarna är bevarade till en höjd av 0,7–1,6 meter. Triumfbågen och sydportalen är aldrig ombyggda och kan därmed upplevas som mycket trånga med dagens mått mätt. I enlighet med katolsk sed var det enbart prästerna som hade tillträde till koret och sydportalen var ofta förställd med korskrank.
Kyrkan grävdes ut på 1970-talet och flera mynt hittades, det äldsta av dessa från 1190– 1210-tal. Myntfynden och kyrkans planform och murverk tyder på att kyrkan uppfördes vid 1100-talets slut eller 1200-talets början.