Kaarma kirik on üks Saaremaa vanimaid ja arhitektuuriliselt silmapaistvamaid keskaegseid pühakodasid. Mõned uurijad on oletanud, et esimene kivist kirikuhoone, praegune käärkamber, võis olla püstitatud juba enne 1227. aastat. Üldiselt dateeritakse kivikiriku vanem osa siiski 13. sajandi keskele ja teise poolde. Sellele võis eelneda puidust kirikuhoone, kuid mingeid jälgi pole sellest seni leitud. Samuti pole Kaarma kirikaiast teada 13. sajandi esemetega matuseid, nagu näiteks Valjalast. Kirikut ümbritsevat pinnast on siiski mitmel puhul teisaldatud ja mõningatel andmetel olevat selle käigus leitud ka esemeid.
Kaarma kihelkond asus Saare-Lääne piiskopkonna südames, mistõttu on oletatud, et siin paiknes Saaremaa kiriklik võimukeskus. Ka kiriku kaitsepühakud, apostlid Peetrus ja Paulus, viitavad selle tähtsale positsioonile – neile pühitseti sageli toomkirikuid, kuid neid võib seostada ka kindlustustega. Kirik jääb Kaarma maalinnast vaid 220 m kaugusele ning vähemalt 13. sajandi lõpus pidid mõlemad ehitised olema kasutuses üheaegselt. Tegemist oli ilmselt vana keskusega, millal tundub olevat olnud ka kultuslik tähendus – kirikust 900 m kirde pool olevat folkloori andmetel asunud saarlaste üks olulisimaid pühakohti, kus toodud inimohvreid.
Kirik on ehitatud ümbritsevast ca 2 m kõrgemale liivakünkale, mille ebastabiilne pinnas on läbi ajaloo põhjustanud vajumisprobleeme. Näiteks on kiriku pikihoone esimesed võlvid koos osa lõuna- ja lääneseinaga kokku kukkunud juba 13. sajandil, seoses ulatusliku põlenguga. Viimase võis Kersti Markuse arvates põhjustada 1261. aastal toimunud Saksa Ordu sõjakäik. 1298. aastast on samas teada, et kohalikud otsisid kirikust kaitset taas kord rüüstavate Ordu vägede vastu, need aga tungisid kirikusse ja tapsid inimesed. Ebastabiilne pinnas on ka põhjus, miks hoonele lisati aegade jooksul erakordselt palju tugipiilareid, mis küll 20. sajandi lõpus taas eemaldati, et taastada kiriku algne kuju.
Ehitusetapid
Vt lähemalt: Markus, K., Kreem, T.-M., Mänd, A. 2003. Eesti kirikud I. Kaarma kirik. Tallinn: Muinsuskaitseamet.
Esimene etapp (enne 1261. aastat)
Esimeses ehitusjärgus rajati kooriruum ja ühekorruseline käärkamber. Hiljem lisati ühelööviline pikihoone, kuid 1261. aasta sõjakäigu ja tulekahju järel varisesid pikihoone võlvid lääne- ja lõunaseina vajumise tõttu. Säilis vaid koorivõlv.
Teine etapp (u 1270)
Teises etapis, pärast esialgseid purustusi, taastati kirik ulatuslikult. Käärkambri esimene korrus võlviti ning lisati teine korrus, millel oli ka kamin. Samuti ehitati uus läänefassaad ja pikihoone muudeti kõrgemaks ja kaeti puitlaega.
Kolmas etapp (umbes 1407)
Kolmas suur ehitusperiood lõppes 1407. aasta peetripäeval, mil läänefassaadile paigutatud kivitahvel teatas kiriku valmissaamisest. Sel ajal rajati massiivne läänetorn ja pikihoone muudeti kahelööviliseks. Pikihoonele lisati tugipiilarid, võlvid ja madalam katus. Selle perioodi seinamaalingutest on säilinud fragment püha Christophorusest, mis on üks vanimaid tema kujutisi Eestis.
Hilisemad ümberkujundused
Juba 15. sajandil hakkas torn vajuma, mistõttu ehitati läänefassaadile täiendavad tugipiilarid.
18. sajandil (1725–28) tehti suuremahulisi renoveerimistöid: kiriku põhja- ja lõunaseintele lisati massiivsed toestused ning 1766. aastal valmis uhke barokne tornikiiver.
17.–19. sajandi vältel kaeti kiriku sisepinnad erinevate dekoratiivsete maalingutega – algselt tumepunaste ornamendijoontega, hiljem marmorimitatsiooni ja musta akantusornamendiga.
Käärkamber
Käärkamber on Kaarma kiriku üks vanemaid ja huvitavamaid osi. Selle arhitektuur ning ümarkaarsed romaani stiilis aknad viitavad varasemale ehitusjärgule kui kiriku põhiosa. Arvatakse, et käärkamber võis esialgu toimida kabelina, mida tõendab seina sisse ehitatud idanišš – analoog Haapsalu toomkirikule. Hiljem lisati käärkambrile teine korrus, mille funktsioon on olnud vaieldav. Ühed on näinud selles kaitsekorrust või pelgupaika, teised palverändurite ööbimispaika. On siiski tõenäoline, et ruumi kasutati pigem ajutiseks elamiseks või tööruumina.
Pastoraadihoone
Kaarma kirikust mõnekümne meetri kaugusel asuv pastoraat on üks Eesti paremini uuritud vaimulikumaju. Restaureerimistööde käigus saadud leiumaterjali põhjal on oletatud, et hoone kivikelder võis olla ehitatud juba 13. sajandil. Hiljem on näidatud, et kelder on tõenäoliselt hilisemat päritolu, kuid selle kõrval, all ja täitekihis on säilinud üsna intensiivne 13. sajandi lõpu ja 14. sajandi kultuurkiht. Mingi tõenäolise, praeguse pastoraadi osalt alla ulatuva hoone vundamendid on registreeritud 2015. aasta järelvalvetööde käigus. 13.-14. sajandi kultuurkiht on tuvastatud ka Valjala ja Pöide kirikute kõrval.
Pastoraadi peahoone hävis Liivi sõja ajal 16. sajandi lõpul ning taastati 17. sajandi algul. Maailmasõdade tõttu muutus hoone taas varemeteks ning selle restaureerimist alustati alles 1991. aastal.
