Im Zusammenhang mit einer umfassenden Restaurierungsmassnahme wurde vom Herbst 1977 bis Frühjahr 1978 eine archäologische Untersuchung in der Kirche von Veltheim durchgeführt, die nicht nur den gesamten Innenraum, sondern auch das bis 1876 als Friedhof genutzte Terrain an der Kirchennordseite umfasste. Die Ausgrabungen brachten eine Vielzahl baugeschichtlicher Befunde ans Tageslicht. Sie belegen eine Gründung lange vor der Ersterwähnung der Kirche von 1230 und lassen den schrittweisen Ausbau des anfänglich erstaunlich kleinen frühmittelalterlichen Gebäudes hin zum heute noch bestehenden, neuzeitlich überformten, spätgotischen Bau nachvollziehen. Da datierende Funde fehlen, fällt die zeitliche Einordnung der einzelnen Bauphasen nicht immer leicht. Von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung der Kirche ist die Einrichtung eines Marienaltars im 14. Jh. gewesen, der den Grundstein für die später einsetzenden Wallfahrten legte, durch die Veltheim für einige Jahrzehnte eine besondere Rolle im kirchlichen Leben der Region spielte.