Nordby Kirke er en massiv kirke med et forholdsvis spinkelt tårn. En kraftig hvidkalket mur omgiver kirke og kirkegård.
Den mest sandsynlige forklaring på placeringen af kirken er, at kirken har været fælles for datidens landsbyer på Nordsamsø, nemlig Nordby, Glistrup, Kongsbøl og Søby.
Der har været kirke her fra i hvert fald omkring 1250, men kun enkelte rester af den oprindelige kirke ses i nordmuren. Den ældste del af den nuværende kirke er det højgotiske kirkeskib fra 1300-tallet. Kirken blev yderligere udbygget med krydshvælv i skibet, og samtidig blev der bygget til på nordfløjen. Ifølge en kalkmalet indskrift skete det i 1494. En anden indskrift fortæller, at det var i 1531, at kirken fik sit nuværende udseende med det ret spinkle spir.
På nordsiden af skibet kan man se rester efter den tilmurede "Tunødør". Før tunøboerne selv fik en kirke, sejlede de herover, hvor de havde deres egen indgang.
Altertavlen stammer fra omkring 1625 og er lavet i brusbarok af billedskærer Jacob Christensen Høylemand fra Århus.
Det mest bemærkelsesværdige inventar er et sengotisk monstransskab, indgraveret med årstallet 1519 og våbnet for århusbispen Niels Clausen.
Kirkeskibet er et tremastet fuldrigget orlogsskib fra 1824.