De parochie Woltersum - als zodanig in 1238 genoemd in de Kroniek van Wittewierum - moet in de Middeleeuwen nauwe banden met het nabije Wittewierum hebben gehad. Zo werkten bij de herbouw van de kloosterkerk van Bloemhof rond 1238 de inwoners van Woltersum dusdanig mee, dat zij uiteindelijk bijna de helft van het werk voor hun rekening hebben genomen. Joosting (1921) suggereert in het verlengde hiervan dat Woltersum een dochterstichting van Wittewierum kan zijn.
Zoals zo vaak in de Ommelanden is de kerkelijke geschiedenis nauw verbonden met de plaatselijke borg(en) en hun bewoners.Ook in Woltersum heeft een borg gestaan (waarschijnlijk voor het eerst vermeld in 1385) die tot de afbraak in het midden van de achttiende eeuw achtereenvolgens in bezit is geweest van de geslachten Ackinga, Rengers, Van Weleveld (Van Welvelde) en Polman. De oorspronkelijke vijf edele heerden in het kerspel (met de daaraan verbonden redger-rechten) kwamen in het begin van de zestiende eeuw alle in het bezit van de familie Rengers van Ten Post, die daarmee de rechtstoel van Woltersum 'staande' maakte en in het verlengde hiervan de 'unieke' collatie van de kerk in handen kreeg. Op deze manier werden aan de borg verbonden (naast de onroerende goederen) de staande jurisdictie, de unieke collatie, een adellijk gestoelte en legersteden in de kerk. Ook kon de eigenaar zich 'heer' van Woltersum noemen. De erfgenamen en kopers van de borg met toebehoren (de bovennoemde navolgende geslachten) hielden de collatierechten tot 1735 in handen. In dat jaar kocht de stad Groningen het staande redgerrecht en de unieke collatie, waarmee een einde kwam aan de vaak precaire verhoudingen tussen predikant en kerkenraad enerzijds en collator anderzijds. De predikant , werd vanaf dat jaar (althans formeel) benoemd door de magistraat van Groningen. Deze situatie duurde tot aan 1856 toen de collatie aan de kerkenraad kwam.
In de kerk herinneren nog enkele zaken aan de oude collatie-families; een gedenksteen in de toren met het jaar 1558 en het wapen Rengers en tegen de zuidmuur een zerk uit 1634 voor 'den eedelen Johan van Welveldt'. Ook de zilveren Avondmaalsbeker uit 1623 is o.m. verfraaid met het wapen Van Welvelde.
In 1765, nog op instigatie van de oude collator de stad Groningen, werd de oude rondgesloten kerk gesloopt, behalve het koor. Hier tegenaan werd een kort schip van vier traveeën gebouwd. In de periode 1837-1838 volgde wederom een grote verbouwing, warbij de ronde absis en de vrijstaande toren werden afgebroken, gebruik makend van de oorspronkelijke stenen. Het schip van 1765 werd met twee traveeën naar het oosten verlengd. Tevens bouwde men in het oosten een toren. Hiermede was de oorspronkelijke oriëntatie van de kerk 180° gedraaid. In de kerkenraadnotulen uit die tijd bleven de namen van de ontwerper en de uitvoerder bewaard: timmerman Pieter Kuipers uit Ten Boer maakte het bestek en de uitvoering had Willem Reinders, meestertimmerman te Woltersum.
De toren van 1838 is het meest belangwekkende bouwonderdeel door de fraaie proporties en de nauwkeurige detaillering. De toren bestaat uit een rechtopgaande, tot de daklijst reikende onderbouw, die voor een klein gedeelte in de oostgevel ingelaten is. Daarna volgt een kroonlijst in profielsteen. De overgang van vierkant naar achtkant geschiedt door middel van vier ingezwenkte velden, waarop wederom een waterlijst volgt. De klokkenverdieping bestaat uit acht geknikte hoekpilasters met daartussen afwisselend rondbogige spaarvelden dan wel dito galmgaten. Onder de iets ingesnoerde naaldspits loopt weer een geprofileerde lijst. In de toren is een gedenksteen Anno 1558 aangebracht met het wapen van het geslacht Rengers.
De langswanden van de kerk zijn duidelijk in twee perioden ontstaan. De twee oostelijke traveeën stammen uit de periode 1837-1838, de vier overige uit 1765. De traveeën hebben elk een groot rechthoekig spaarveld waarvan de vier middelste spitsboogvensters bezitten. De steunberen zijn veellater aangebracht. De westgevel bevat drie spaarvelden, waarin kleine spitsboogvensters en een gevelsteen, die het ontstaansjaar onthuld. Behoudens de steunberen is de zuidgevel gelijk aan de noordgevel.