Pentru faza goticului târziu biserica de la Vârghiş, a avut dimensiunile interioare de 23 x 7 m, dispunând pe latura sa nordică de o sacristie şi un ossarium cu dimensiunile interioare de 5,60 x 3,10 m, respectiv 3,10 x 2,60 x 2,40 m. Sacrista gotică înglobează în perimetrul ei şi pe cea romanică, iar încăperea ossarium-ului lipită de sacristie, are o formă trapezoidală.

Pardoseala sacristiei era din pietre nefinisate, plate ca de altfel şi pardoseala bisericii. În interiorul sacristiei s-a descoperit cada de botez din piatră, pentru faza romanică, fiind folosită şi în faza gotică drept element de pardoseală.
Absida poligonală a fost prevăzută la închidere cu 4 contraforturi, iar peretele sudic al bisericii cu încă 3 contraforturi, în zona altarului. Laturile nord-vestice, respectiv sud-vestice, au fost prevăzute de asemenea, cu contraforturi (câte unul pe fiecare parte). Cu ocazia cercetărilor fazei gotice târzii, s-a descoperit şi platforma din piatră a altarului la 1,30 m de peretele de închidere a absidei poligonale, cu dimensiunile de 2,10 x 1,10 m. Pe laturile vestice şi sudice au fost surprinse câte o intrare prevăzută cu prag cioplit din piatră (gresie) de formă trapezoidală. Intrarea de pe latura vestică dispunea de un portic, din care s-au păstrat doar fundaţiile şi un registru din pardoseală din piatră. Dimensiunile porticului în interior au fost de 3,50 x 2,00 m, iar deschiderea intrărilor:vestică 1/1,40 m şi sudică 1,10/1,60 m (s-a avut în vedere deschiderea minimă şi maximă a intrărilor).

La 4,30 m de peretele vestic al bisericii gotice târzii, s-au descoperit fundaţiile masive ale turnului clopotniţei pentru faza avută în vedere, care, în proporţie de 80 %, era în afara zidului de incintă. Prin săparea gropii pentru stingerea varului, în anul 1993, o mare parte a fundaţiei acestuia a fost distrusă şi excavată în totalitate. În perimetrul absidelor romanice şi gotice au fost descoperite numeroase morminte de înhumaţie, marea majoritate fiind răvăşite, probabil, cu ocazia lucrărilor de construcţie a bisericii, cele nederanjate având o orientare E-V. Mormintele deranjate, cât şi cele asupra cărora nu s-a intervenit, nu conţineau inventar.

În cadrul bisericii din faza goticului târziu, în apropierea zonei arcului de triumf şi în apropierea peretelui vestic, au fost descoperite două monede aparţinând, una din ele, lui Iancu de Hunedoara, iar cealaltă, lui Matei Corvinul, care încadrează această fază de construcţie la sfârşitul secolului XV, începutul secolului XVI. Pentru încadrarea în timp a fazei romanice a bisericii de la Vârghiş, de un real ajutor este tezaurul monetar de sec. XIII, descoperit în zona arcului de triumf, aparţinând lui Rudolf de Habsburg.