Kirken ble bygget i 1651 som en upanelt, laftet trekirke og var opprinnelig en annekskirke. Under en restaurering i 1839 fikk kirken tegltak og under en ombygging i 1876–77 fikk den ny bekledning. Johan Heinrich Günther Schüssler, som også står bak mange andre viktige bygg i Kongsvinger-området i denne perioden, var arkitekten bak ombyggingen. Under ombyggingen ble mye av interiøret byttet ut, men det gamle interiøret ble ikke kastet og kunne derfor settes tilbake på plass under restaureringen i 1966–1967.
Siden Brandval kirke er det eldste kirkebygget i Glåmdal, har det spesiell interesse hvordan denne kirken er konstruert. Arkitekt Ola Storsletten ved Stiftelsen for Kulturminneforskning, NIKU, foretok en undersøkelse av kirkebyggets konstruksjon, den 10. august 1995. Han foretok også en undersøkelse den 12. april 2001.
Storsletten beskriver kirken som en korskirke med relativt korte korsarmer. Taket i hovedskipet har krysshvelv av tre, mens sideskipene har tønnehvelv. Hvelvene er konstruert av treribber og bord. Brandval kirke er den eneste kirken fra 1600-tallet i Norge der krysshvelv av tre er bevart.
Kirken er en tømmerkirke med stående panel utvendig og innvendig. Vesttårn og sakristi ble bygd til i bindingsverkskonstruksjon under utbyggingen i 1876-77. Bygningskyndige i 1876 har antatt at materialer fra Berger og Fyrilunda kirker er blitt benyttet ved bygging av Brandval kirke i 1651. Storsletten tilbakeviser ikke denne teorien.
Altertavla i Brandval kirke
Altertavla er skåret av Lauritz Lauritzen i 1651 og malt av Thomas Blix i 1728. Den ble fjernet fra Brandval kirke i 1877 og gjeninnsatt i 1966–67. Nederst ses Kristi korsfestelse, i midten Kristi oppstandelse og himmelfart og øverst den himmelske og seirende Herre. Altertavla var i svært dårlig forfatning da den ble tilbakeført fra Norsk Folkemuseum. Den antatte toppfigeren manglet ansikt, en arm og ett og et halvt bein. Nytt toppstykke ble laget etter tegning av riksantikvaren personlig. Den 80 årige treskjærer, Anton Skyrud, Kongsvinger og treskjærer Fridstrøm og sønn, Oslo skar og reparerte figurer.
Treskjærer Fridstrøm laget tre helt nye figurer, nemlig Maria etter foto fra Eidsberg kirke, og Moses og Aron etter utlånte figurer fra Stange kirke. I ettertid er det trukket i tvil om det var Lauritzen som skar ut altertavla i Stange kirke. Litt underlig er det at det ble to figurer til overs etter at restaureringa var ferdig: To figurer av Kristus som holder en globe i venstre hand og rekker høyre hand i været med tre fingre pekende oppover. Figurene er svært like de som er på toppstykket på altertalva i Hoff kirke på Toten.
Døpefonten i Brandval kirke
Det er mange uklarheter omkring den døpefonten som står i kirken i dag. Det er mest trolig at det ble snekret en ny døpefont i tre til kirken i 1651. Deler av denne døpefonten befant seg på Folkemuseet i 1965. Den kunne ikke rekonstrueres, men den 6-kantede overdelen var i behold og kunne benyttes. Denne overdelen ble plassert som overdel på den kleberstensdøpefonten som sto i kirken fra før. Kleberstensdøpefonten er det eldste inventaret i kirken. Den har stått i en av de eldre småkirkene i Brandval. Den er fra Middelalderen og laget mellom 1175 og 1250. Sannsynligvis ble den ikke satt inn i kirken før i 1877.
Mona Bramer Solhaug har beskrevet kleberstensdøpefonten i Brandval kirke inngående i sin avhandling om Middelalderens døpefonter i Norge. Her er noe av beskrivelsen:
«Materialet: Klebersten. Hard, grå, glimmerrik med rustbrune flekker. Beskrivelse: Kum har stump kjegleform og horisontal underside. Sagtannbånd langs munningsrandens ytterkant. Fot med skaft: Sylindrisk skaft med båndflette i toplansrelieff nederst og kraftig repstav på midten. Rund fot med konveks (hvelvet) overside dekket av bladranke og spissfliker i lavt relieff. Tilstand: Godt bevart. Proveniens: Antagelig fra Fyrilund eller Berger middelalderkirker. Datering: 1175-1250. Kommentar: Tilhører spissflikfonter, en hetrogen gruppe langs riksgrensen på Østlandet. Utbredt i svenske grenselandskaper: Gruppen er hugget av et stort antall håndverkere og har ujevn håndverksmessig kvalitet. Hovedproduksjon i første halvdel av 1200-tallet. Kum er beslektet med Frogn, fotens form med Idd og Hof, relieff på fot med Eidskog.»