Kyrkans portal Biskop eller möjligen en pilgrim på en kapitäl på toppen av en av stavarna Kapitäl med Kentaur Kapitäl med växtornamentik Urnesmadonnan i Bergen Museum

Kyrkan anses vara den äldsta existerande stavkyrkan i Norge, men det är spår efter äldre kyrkor på samma plats. Forskare menar att det har funnits minst två kyrkor tidigare, och att området därför varit kyrkoplats ända tillbaka till 1000-talet. Vid utgrävningar under kyrkogolvet har man hittat stolphål efter en eller två tidigare kyrkor, som kan varit stolpkyrkor. Fynden kan tyda på att den yngsta av dem hade fria master och ytterväggar som vilade på sliprar som spänts mellan jordgrävda stolpar. Det är inte känt om kyrkan hade något mittskepp.

Stavkyrkan är troligen från början byggd som en privat gårdskyrka, medan den senare från medeltiden var församlingskyrka. Den är nämnd i skriftliga källor från 1323 i samband med en visitationsresa. Då nämns urnesprästen Sira Ærlender. Kyrkan är även omskriven i Bjørgyndar Kálfskinn (fol.37) från omkring 1360. Man tror att Gaut av Ornesi kan ha varit byggherre. Han och hans två söner Jon Gautson och Mundan Gautson ska ha varit kung Magnus Erlingsson (1161–1184) mest betrodda män.

Efter reformationen blev kyrkan i Hafslo huvudkyrka, Urnes och kyrkan i Solvorn blev annex under denna. Prästen Christoffer Munthe köpte kyrkan omkring 1720 och den var i privat ägo till den såldes till församlingen 1850. Fortidsminneforeningen övertog den 1881 då Urnes och Solvorn församlings slogs samman, men med klausulen att församlingen skulle få fortsätta använda kyrkogården som gravplats och ha rätt att använda kyrkan till två gudstjänster per år.