Under två veckor i juli 1982 företogs en forskningsgrävning ca 100 m norr om Bjälbo nuvarande kyrka. Syftet med utgrävningen var att fastställa om de byggnadslämningar och gravar som tidigare observerats i området kom från en föregångare till dagens kyrka.

Vid utgrävningen påträffades lämningar efter en kyrkobyggnad. Dessa bör, i analogi med lämningar från andra tidiga träkyrkor, härröra från en stavkyrka. Vid utgrävningen lokaliserades även den grav med ornerad täckhäll som man påträffat i området år 1954.

För stavkyrkan föreligger inga absoluta dateringar. Förekomsten av ett kalkbruksgolv kan tyda på att man vid tiden för byggnadens uppförande redan var bekant med tekniken att mura kyrkor. Eftersom de första murade kyrkorna i Östergötland anses härhöra från början av 1100-talet, bör stavkyrkan i Bjälbo tidigast ha tillkommit vid denna tid.

När stavkyrkan ödelades går idag inte att avgöra. Det förefaller dock rimligt att anta att stavkyrkan stått åtminstone fram till dess att den nuvarande stenkyrkan uppfördes, det vill säga kanske fram till mitten av 1100-talet.

Den påträffade stavkyrkans sena datering kan betyda att det funnits en föregångare på platsen. Detta stöds av lockhällen från graven i långhuset, vilken hade ornamentik i en stil som daterats till slutet av 1000-talet. Förekomsten av en lockhäll från 1000-talet i Bjälbo innebär att det bör ha funnits en kyrka på platsen under detta århundrade.