Prima dată s-a aflat despre Biserica Ostrov datorită cercetătorilor epocii romane (sec. XVIII), iar cea dintâi descriere o datorăm vicarului greco-catolic Ștefan Moldovan (1853); acesta din urmă a clasat-o însă într-o vreme neverosimil de timpurie (între secolele VIII-XIII).
Analizele științifice le-a inaugurat Virgil Vătășianu (1936, 1959). Au urmat contribuții parțiale semnate de către Ștefan Lupșa, Mircea Păcurariu și Vasile Drăguț. Apoi Radu Popa a sugerat arhitectura inițială a bisericii (1986). Ulterior, investigații de arhitectură (1995-1996) și săpături arheologice (1996) au definit componentele și etapele de construcție, cu partea cea mai importantă a vechiului monument medieval.
La aceste ultime cercetări s-a relevat faptul că prima biserică a Ostrovului hațegan a fost un mic edificiu uninavat (5,20 x 4,50 m, cu grosimi ale zidăriei de 0,90 m) cu mic altar rectangular (1,90 x 2,20 m). La ridicarea căruia s-au folosit din plin spolii romane – blocuri mari sau mai mici, fasonate (la baza elevațiilor), dar și multă cărămidă.
Altarul primei biserici a fost ulterior demolat, iar latura de nord a navei a fost înlocuită parțial de un alt zid. Două portaluri permiteau accesul în lăcaș: unul de vest (parțial utilizat și astăzi), sub care ne întâlnim cu un timpan pictat; altul spre sud, închis de un ancadrament care imită un lintel pe console (astăzi astupat), surmontat de o nișă de hram, încheiată cu arcadă semicirculară.
Peretele de sud a avut două ferestre înguste, tipice pentru deschiderile isprăvite în arc frânt. Probabil anterior începutului secolului al XVI-lea, bisericii i s-a adăugat o clopotniță. Ea pornește de la un soclu care delimitează un rectanglu (2,70 x 2,18 m), ridicat până la 11,30 m înălțime. Bolțari anume aleși marchează muchiile libere. Nivelul are o deschidere în arc frânt și o boltă în leagăn, acum spartă, pentru a face loc unei scări fixe de acces.
Următorul nivel a avut o altă intrare, cu scară mobilă, ulterior transformată, și o fereastră cu ancadrament gotic simplu, cu muchie teșită. Ultimul nivel are ferestre pe toate laturile, din care trei (nord, vest și sud) asemănătoare cu cea de la etajul I, doar că mai scunde. A patra fereastră are decoruri care amintesc de traforuri de piatră. Acoperișul inițial a fost realizat din lespezi de piatră și cărămizi romane, așezate în con piramidal. Este cea mai bine conservată și reprezentativă clopotniță medievală a Hațegului istoric.
Decorul cu fresce a atras timpuriu atenția. Mult timp a fost vorba doar despre o icoană a Maicii Domnului Hodighitria, aflată în timpanul portalului de vest. Chiar dacă datată oscilant (a doua jumătate a secolului al XIV-lea; sfârșitul secolului al XIV-lea, începutul secolului al XV-lea; mijlocul secolului al XV-lea; sfârșitul secolului al XV-lea), ea a fost recunoscută drept una dintre cele mai valoroase picturi medievale din România.
O ultimă abordare sistematică, argumentează temeinic și preferă datarea la mijlocul secolului al XV-lea.
Dar elementele de pictură sunt mai numeroase. Pe sud, în exterior, se disting scene cu sfinți, de la circa 1,30 m de nivelul solului. Pe unele se pot citi inscripții zgâriate. În nișa de deasupra intrării sudice, se remarcă un superb cap de cal, de la un sfânt călăreț. Pereții interiori, de sud și vest, au, în modul cel mai sigur, părți consistente din vechea frescă.
Numai pentru Ostrov, în contextul Țării Hațegului, se poate discuta despre particularitatea îngrădirii cimitirului. El a avut 208 piese sculpturale și epigrafice romane, colecționate de către nobilul patron al bisericii, în perioada cuprinsă între anii 1553-1585, din diferite locuri din vecinătatea Ostrovului. Acum au rămas acolo doar pietre greu lizibile, deteriorate de intemperii. Dintre celelalte, care au avut noroc, au ajuns la muzeele din Sarmizegetusa și Deva.
Biserica Ostrov a fost ctitorită de cnezii locali. La 1360, Petru de Ostrov era desemnat drept prim protopop cunoscut al districtului. Datele care îi menționează pe localnici continuă într-un anume ritm, până la mijlocul secolului al XV-lea. Apoi, tocmai de când datează cele mai importante contribuții la înzestrarea bisericii, iar vechii cnezi au devenit nobili cu privilegii regale, izvoarele scrise devin mai sărace. Ca și alte monumente din Hațeg, și acesta a suferit rigorile transformărilor religioase. Cnezii, apoi nobilii ostroveni au ajuns de la catolici, la reformați (calvini). Și-au schimbat nu numai credința religioasă, dar și etnia inițială. Acestei majore metamorfoze i se datorează acoperirea decorațiilor interioare, specifice cultelor istorice, nu celor protestante.
Imaginea de astăzi a bisericii este rezultatul unei ample transformări care a avut loc probabil în a doua jumătate a secolului al XVIII-lea sau la începutul secolului XIX. După ce a trecut prin faza greco-catolică, după 1948, comunitatea și lăcașul sunt ortodoxe. Un program parțial de restaurare (cercetări arheologice și reamenajări de paramente și pardoseli) s-a derulat acolo la începutul anilor 90 ai secolului trecut.
Monumentul nu are restaurarea finalizată. Scoaterea la iveală a veșmântului de frescă, imposibilă doar prin eforturile enoriașilor parohiei, este un deziderat. El va pune în valoare una dintre cele mai prețioase documente artistice medievale din țară.
Biserica Ostrov păstrează un „gard” neobișnuit. Acesta nu este altceva decât o colecție de pietre romane înșirate în jurul bisericii. Se spune că aceste bucăți masive de piatră sculptată provin de la ruinele anticei Ulpia Traiana Sarmizegetusa și au fost aduse aici în Evul Mediu de unul din nobilii din zonă.
