Vallmoll és un poble ric en patrimoni arquitectònic. Entre els monuments més destacats, hi ha el castell, ara bastant malmès, tot i que s'hi estan fent obres de restauració. Es tracta d'una fortificació datada al segle XI i que al llarg dels segles va passar per diversos propietaris. S'ubica al cim del turó on hi ha el poble i demostra la importància estratègica que tenia la població. Tenia planta quadrada i dues torres.
També dins del nucli antic, es troba l'església de Santa Maria de Vallmoll, un edifici a cavall entre el barroc i el neoclàssic que va ser erigit a finals del segle XVIII. Té tres naus i un campanar de base quadrada i part superior octogonal. També cal destacar els esgrafiats de la façana i, a l'interior, un Sant Crist del segle XII i l'orgue del XIX. A l'església antiga hi havia un retaule del pintor Jaume Huguet, de mitjans del XV, que ara es troba repartit entre el Museu d'Art de Catalunya, el Museu Diocesà de Tarragona, La Hispania Society de Nova York i el Louvre de París.
Encara dins del poble es poden trobar altres elements interessants, com pot ser el portal de la Creu, l'únic dels tres que hi havia en època medieval que encara es conserva. També hi ha restes de la muralla, les voltes del Roser i de Sant Llorenç i algunes cases notables, com Can Ballester i la Casa Vallvé.
A prop del nucli urbà, cal mencionar l'ermita de la Mare de Déu del Roser, del segle XVI però amb ampliacions i restauracions posteriors. Va ser construïda pel mestre Guillem Godó. Està formada per una sola nau amb arcs apuntats. A l'interior, hi ha un retaule d'estil renaixentista on s'interpreten els misteris del rosari i que data de finals del XVI. Pel que fa a la façana, l'arquitecte Josep Maria Jujol la va restaurar a principis del segle XX.
Dins del terme municipal també trobem el poblat ibèric dels Garràfols.