Hans Hedlund, känd göteborgsarkitekt, fick i uppdrag att rita Tjolöholms kyrka, den uppfördes samtidigt som slottet. Den 3 oktober 1904 förrättades den högtidliga invigningen. Kyrkan blev den naturliga samlingsplatsen för godsets upp till 200 anställda under tidigt 1900-tal
Tjolöholms kyrka är byggd i engelsk gotisk stil, dopfunt, predikstol och träbänkar är alla välbevarade och prydda med växtornament. I tornet hänger de två malmklockorna med inskriptionerna ”Guds” och ”Frid”. Utvändigt är kyrkan byggd i grovhuggen granit. Invändigt var den från början klädd med Skrombergaplattor i ljusgult.
Den förste präst som tjänstgjorde på Tjolöholm var Gustaf Ankar. Det var han som en strålande Kristi Himmelsfärdsdag den 24 maj 1906, under pågående konfirmationsgudstjänst i den blomster-smyckade kyrkan, fick mottaga budet om fru Blanche Dicksons död under en resa mellan Ceylon och Aden, på väg hem till Tjolöholm. Dödsbudet lästes upp från predikstolen och försatte församlingen i ett tillstånd av förlamande sorg.
Efter 1923 fanns det inte någon präst anställd på Tjolöholm, utan gudstjänsterna i Tjolöholms kyrka förrättades av präster från Fjärås pastorat. 1954 användes kyrkan för sista gången därefter kom kyrkan att förfalla. När Kungsbacka kommun köpte godset bildades det på privat initiativ en förening, Tjolöholms vänner, med mål att samla in medel för bevarandet av kyrkan. 1990 påbörjades en yttre renovering av kyrkan, denna avslutades i december 1994 och återinvigningen av kyrkan kunde äga rum jämnt 90 år efter den första invigningen.