Långtora kyrka byggdes på 1300-talet. Socknen omnämns första gången 1314. Att bygden varit befolkad tidigare än så vittnar två runstenar från 1000-talet om. I dag står de på kyrkogården, men den ena har tidigare varit inmurad i bogårdsmuren och den andra har utgjort tröskelhäll mellan vapenhuset och långhuset. I vapenhuset finns även en hög och smal bildsten med två kors, ett skepp och en mans figur. Den var tidigare inmurad i en av den medeltida sakristians väggar.
Kyrkorummet har ett antal intressanta medeltida byggnadsdetaljer. Att vapenhusets portal flankeras av nischer är ovanligt. I dessa har det troligen stått helgonbilder, inför vilka man kunde förrätta sin andakt till exempel då kyrkan var låst. På korets östvägg finns ett ursprungligt tredelat fönster bevarat med spröjsverk av murat tegel och överst tre fyrpassformer. Kanske har man inspirerats av det pågående domkyrkobygget i Uppsala. I kyrkorummet förekommer så kallade gubbansikten vid basen av ett par valvribbor. Dessas funktion ansågs troligen vara att bära upp valven.
På Enköpings museum finns sedan 1909 ett antal medeltida träskulpturer deponerade. Det rör sig om sju helgonbilder från ett altarskåp och två bilder av apostlar. Det mest framstående arbetet är en Kristusbild från ett triumfkrucifix. Den är tillverkad på 1100-talet, sannolikt i Westfalen, och tillhör därmed de äldsta kyrkliga skulpturerna i Sverige.
I koret finns en dopfunt från 1200-talets förra hälft. På mittpartiet finns fyra utskjutande huvuden av en eller två människor, en gumse och ett odjur. Ursprungligen har den troligen stått närmare porten in i kyrkorummet, för att markera att dopet utgör ingången till det kristna livet i kyrkan. Vanligen flyttades dopfunten fram i koret under 1600-talet för att betona att dopet skedde i församlingens mitt. På Enköpings museum deponeras en dopklänning med tillhörande mössa skänkt till kyrkan omkring 1760 av Fredrik Lagersvärd och hans hustru Christina de Laval till Långtora säteri.