Von der früheren Bedeutung des Ortes zeugen Reste einer Wasserleitung von den Karlsquellen zur karolingischen Kaiserpfalz in Ingelheim, der Bergfried der im 13. Jahrhundert errichteten Burg Windeck und die Anlagen der Schloßmühle und des Sandhofes. Letzterer war ein Zehnthof des Klosters Eberbach. Heidesheim gehörte wohl schon seit seiner Gründung zum Altmünsterkloster in Mainz.
Die Verwaltung des weltlichen Besitzes des Altmünsterklosters oblag (als Vögten) den Rheingrafen. Diese delegierten dieses Recht im 12. Jahrhundert an den Ritter Herdegen von Winternheim, der im Jahr 1209 bereits über eine Burg im Ort verfügte. In der Mitte des 15. Jahrhunderts übernahm der Mainzer Erzbischof die Herrschaft über das Dorf.

Auf den ersten Blick entsteht der Eindruck, Heidesheim habe sich als Straßendorf entsprechend der Hauptverbindungswege in West-Ost-Richtung an der Bingerstraße/Mainzerstraße entlang und in Nord-Süd-Richtung entlang der Römerstraße/Oberdorfstraße entwickelt. Aber stimmt das? Historisch lassen sich vier Schwerpunkte ausmachen:

1. Das Areal um die Zehntscheuer des Mainzer Altmünsterklosters, das in Heidesheim als die älteste Grundherrschaft anzunehmen ist.
2. Der seit 1145 nachgewiesene Sandhof des Klosters Eberbach im Rheingau.
3. Das Gebiet um die Burg Windeck, die in der zweiten Hälfte des 12. Jahrhunderts von Herdegen von Winterheim (nicht Winternheim!) errichtet wurde.
4. Die Schlossmühle, die gesichert für 1577 erwähnt ist und in der Folge Sitz des Amtmanns des Mainzer Erzbischofs in Heidesheim war.

Unter diesen Herrschaftsverhältnissen bildete sich in Heidesheim kein eindeutiges Zentrum heraus, wie zum Beispiel um die Kirche oder um das 1936 als "Verkehrshindernis" abgerissene alte Rathaus in der Oberdorfstrasse. Zudem ist der alte Ortskern bis zum Beginn des 14. Jahrhunderts in den alten Rheinauen um die Georgskapelle (nördlich der Eisenbahnlinie zum Rhein hin) an der Stelle einer ehemaligen römischen "villa rustica" zu suchen. Dieses Gehöft lag an der Straße, die im Tal von Mainz nach Bingen führte. Die Siedlungsstätte ist vermutlich wegen der Überschwemmungen des Rheins aufgegeben worden. Die Profanbauten sind verschwunden, die alte Dorfkirche ist geblieben. Grabungen könnten näheren Aufschluss geben.

An der Talstraße ist ein römisches Gehöft, eine "villa rustica", nachzuweisen, um das die alte Heidesheimer Siedlungsstelle zu suchen ist. Heute finden wir hier nur noch die Georgskapelle - wohl die alte Dorfkirche, deren Südwand als eines der am besten erhaltenen, ursprünglich nicht sakralen privaten Mauerwerke nördlich der Alpen anzusehen ist (s.u.).

Von überregionaler Bedeutung sind die Reste einer etwas mehr als sieben Kilometer langen gemauerten, unterirdisch verlaufenden Wasserleitung, die ihren Ausgangspunkt im Südosten auf den Höhen der Heidesheimer Gemarkung nimmt (“Karlsquelle" bei der Sandmühle) und über Wackernheim nach Ingelheim führt, um wohl in das Gebiet der Pfalz Karls des Großen zu münden. Uneins sind sich die Fachleute, ob diese Wasserleitung römischen oder karolingischen Ursprungs ist, und so wird sie heute als "römisch-karolingische" Wasserleitung bezeichnet. Ein wenig glücklicher Kompromiss, denn entweder ist sie römisch o d e r karolingisch - aber keinesfalls beides.