Kirken er formentlig fra midten af 1100-tallet.
I 1400- og 1500-tallet blev kirken udvidet mod øst og vest, og fik tilføjet kapeller og et tårn.
Befolkningsvæksten i Lyngby Sogn betød, at der i 1800-tallet blev indbygget pulpiturer, som gav flere pladser i kirken. Også de kongelige på Sorgenfri Slot, som fra 1839 brugte kirken, fik sit eget pulpitur. Det eksisterede helt indtil kirkens renovering i 2012.
Kapellet mod syd blev indrettet som gravkapel for familien på Frederiksdal Slot.
Kirken er rigt dekorereret med kalkmalerier fra 1500-tallet. Altertavlen fra 1826 der var udført af C. W. Eckersberg, er udskiftet med et nyt alter i marmor udført af billedkunstneren Christian Lemmerz.
Udvendigt sidder der i muren en løvefigur der holder et menneske i gavet. Figuren symboliserer djævelen. og kaldes Lyngby-løven.
Lyngby Kirke blev i 1868 solgt til industrimanden C. F. Tietgen. Købet af kirken kan hænge sammen med, at Tietgen havde et landsted i Taarbæk, der hører til sognet. Tietgen og hans hustru ligger begravet på kirkegården (billedet herover).
Kirkens beliggenhed på en bakke gør, at kirkegården er anlagt i terasser med trapper og stejle skråninger. Kirkegården bruges dog ikke længere til begravelser.
Til kirken er knyttet et sagn om en lindorm, der havde lagt sig rundt om kirkebygningen, så man ikke kunne komme ud af døren. Derfor huggede de hul til en dør i kirkens nordside, hvor døren en i dag.
Folk i Lyngby opfedede en tyr, som blev så stor og stærk, at den kunne dræbe ormen. Til gengæld spyede den gift på tyren, som døde og blev begravet på kirkegården. På kirkegårdens østside er der en sten med et relief med et billede af tyren. Tilsvarende sagn findes flere andre steder i landet og har givet stof til Martin A. Hansens novelle “Orm og tyr”.
I 1851 var pladsen på kirkegården sluppet op, så man anlagde Lyngby Asssistens Kirkegård på et areal mellem Stades Krog og Toftebæksvej.
På kirkegårdene ligger flere kendte personer begravet, f.eks. arkitekten Ferdinand Meldahl, forfatterne Gyrithe Lemche og Henrik Cavling, maleren Niels Skovgaard og politikeren Hartvig Frisch.
