En kilde, den såkalte Olavskilden, ligger ca. 100m nordøst for kirken. Kilden har hatt ry for sitt helsebringende vann, og mange av dem som har søkt til den, både innenbygds og utenbygds folk, har gitt gaver til kirken. Kirken skal være bygget og opprettholdt ved gaver og ved offer som ble opptatt på messedagene. Etter at gaveinntektene avtok mot midten av 1800-årene, ble utgiftene til vedlikehold utlignet på oppsitterne på Grenskogen, som ble regnet som kirkens eiere. Ved et tingvitne 1663 erklærte almuen at Sigdal kirke var deres sognekirke og at Vatnås kirke var en lovekirke.
Det eksisterte en Vatnås kirke i middelalderen. I 1590-årene skriver Jens Nilssøn om kirken at den "kun ligger langt i fra bygden, borte i en vilden skoug, for sig selff, udi hvilcken der giordis tieniste (før end doctrina coelestis bleff repugnerit) S. Botholpi dag, oc siger man, at der var da en stor højtid oc concursus religionis ergo, desligiste hellig kaarss dag om vaaren og høsten, men denne kircke er nu ødelagt oc forfalden, oc alle klocker oc ornamenter, som der laage til, ere lenge siden tagne derfra".
Den nåværende kirke må være oppført ca. 1660. Sogneprest Bernhoft skriver 1745 om den: "...samme har siden den Sorte Død 1350 ligget øde indtil 1655 ungefehr, da der i vilde Skoug fandtes et Alter og et Christi Billede paa Korset, samt en Miniatur af en Kirke af Kobber forgylt paa Stædet, samme Miniatur Kirke findes endnu paa Alteret i Kirken, blev færdig igjen 1665...". Kirken må imidlertid ha vært ferdig allerede 1663, for ved tingsvitnet da erklærte almuen at deres daværende prest holdt messe i kirken en gang om året, nemlig St. Hans dag, hva ingen av prestene før ham hadde gjort.

Middelalderkirken:
Omtalen av middelalderkirken viser at den var ute av bruk og i dårlig stand i tiden etter reformasjonen. Dersom det er tilfelle at både alter, relikvieskrin og krisifiks var på plass i 1655, må i allefall koret ha vært under tak til den nye kirken ble bygget. Kirkens form og byggemåte omtales ikke, og det er ikke bevart noe som kan gi opplysninger om disse forhold. Både krusifikset og relikvieskrinet ble overført til den nye kirken og er i behold. (Relikvieskrinet i Nationalmuseet, København)

Kirken fra ca. 1600:
Årstallet for bygging av kirken kan ikke fastlegges eksakt, fordi kirkens regnskaper ikke er bevart. Med støtte i sogneprest Bernhofts opplysninger fra 1745 og innskrifter på kirken og dens inventar er byggetiden satt til ca. 1660. De skriftlige opplysninger om kirken er meget mangelfulle fordi den har vært en gavekirke uten faste tiendeinntekter og kapital.
Kirken er laftet opp av tømmer som en liten korskirke. Koret opptar østre korsarm og har samme bredde som vestre arm, ca. 6m. Det er ca. 3,5m langt, mens vestre arm er ca. 5m lang. Tverrarmene er lavere og smalere, ca. 4m brede og ca. 3m lange, alle måt utvendig. På tverrarmenes øverste stokk er det laftet opp vegger som spenner tvers over østre og vestre arm og markerer kirkens midtrom. Den firkantede takrytterens vestside hviler på den vestre av disse tverrveggene, men østsiden hviler på et fundament av tømmer som er laftet opp i tverrveggene. Koret har sydportal og vestre arm vestportal. Foran vestportalen står et åpent bislag.
Kirken ble noe forandret i 1870-årene. En restaurering 1947-48 tok sikte på å føre kirken tilbake til sitt tidligere utseende.
Tømmerveggene består av rundtømmer som er planteljet inn mot kirkerommet, men utvendig og over himlingen innvendig har stokken beholdt sin runde form. Laftehodene stikker 10-15cm frem foran veggflukten og er tilteljet 6-kantet. Veggene er utvendig kledd med profilert tømmermannskledning som er tjærebredd.
Korskillet ble tatt ned og erstattet med en lav brystning i 1870-årene, men det opprinnelige korskille ble rekonstruert i 1947-48 med anvendelse av gamle deler og med støtte i funne spor. Koråpningen flankeres av firhugne, profilerte stolper som er tappet ned i svillen og opp i overliggeren. På hver side av åpningen har korskillet en brystning som bærer søyler utformet som hermer.
Vestportalen er opprinnelig. Den har vannrett overligger og er 205cm høy og 89cm bred. Veggsvillen danner terskel. Hver portalside har en firhuggen beitski med profil mot utsiden og innsiden. Nordre beitskis innside har et spor etter at døren opprinnelig har slått inn mot venstre. Den er nå flyttet over til utsiden, slik at den slår ut, men den er vendt opp-ned og opprinnelig innside vender ut. Den opprinnelige, tjærebredde utsiden er kledd med profilert panel i fiskebensmønster. Panelet er festet med jernnagler med tore hoder som danner mønster.
Koret hat to østvinduer, men de øvrige armer har ett vindu mot nord og syd. Dette er antagelig den opprinnelige ordning, men samtlige vinduer ble laget en halv gang høyere 1875 ved at åpningen ble utvidet nedover.
Takene over alle 4 korsarmer har rundteljede åser. De er laftet inn i gavlveggene og de lafteveggene som spenner tvers over kirkerommet i flukt med korsarmenes sidevegger. Bordtaket av over- og underliggere hviler på åsene og er tekket med rød vingetegl. Vindskienes underside har utskåret kontur i form av rekker av liggende S-former.
De fire laftevegger som spenner tvers over kirkerommet, i flukt med korsarmenes sidevegger, danner takrytterens fundament. Vestsiden står på den vestre tverrveggen, mens de øvrige hviler på laftevegger som er lagt opp i tverrveggene. Takrytteren bæres av 8 stolper som understøtter en 8-sidet bjelkekrans under hjelmen. Den høye 8-kantede hjelmen støtter seg til en midtmast som hviler på et bjelkekryss. Masten avstives av 8 stikksperrer som går skrått opp fra toppen av takrytterens 8 hjørnestolper. Senere har takrytteren fått sin nåværende form med 4-sidet underbygg. Hjelmen bærer et spir med kule, utsmidde ornamenter og fløy med årstallet 1672 og initialene NNG (Niels Nielsen Griis).