Die katholische Kirche St. Katharina von Gau-Weinheim steht am höchsten Punkt am nördlichen Rand des Dorfgebietes. Die heutige Kirche ist ein im Kern romanischer Saalbau, der 1740 barock überformt und erweitert wurde. Zwischen 1928 und 1930 wurde die Kirche noch einmal grundlegend umgebaut und erweitert und erhielt dabei ihr heutiges Aussehen.

Die erste Kirche in Gau-Weinheim entstand vermutlich relativ bald nach der Ortsgründung (urkundliche Erstnennung 767) und war, wie in anderen rheinhessischen Ortschaften auch, wahrscheinlich eine einfache Holzkirche. Um 1180 wurde eine Steinkirche an derselben Stelle wie die heutige katholische Kirche errichtet. Diese Kirche war als Wehrkirche konzipiert und diente in Notfällen zusammen mit dem ummauerten Friedhof, der sich in direkter Nachbarschaft befand, der Gau-Weinheimer Bevölkerung als Zufluchtsort. Noch heute befindet sich dicht neben der Kirche der sogenannte Gemeindeturm, der als Eckturm der Wehranlage ein Teil der ursprünglichen Friedhofsbefestigung war.

Die mittelalterliche Kirche war der Heiligen Katharina geweiht und gehörte dem Archidiakonat des Propstes des Mainzer Stiftes St. Maria im Felde (St. Maria in campis). Einige Quellen berichten von einer Zugehörigkeit der mittelalterlichen Gemeinde Gau-Weinheim zum Dekanat Partenheim, während andere wiederum das Dekanat Gau-Odernheim angeben, weshalb möglicherweise ein Wechsel der Dekanatszugehörigkeit von Gau-Weinheim anzunehmen ist. Das Patronatsrecht der Kirche lag beim Mainzer Mariengredenstift (Maria ad gradus). Spätestens im 14. Jahrhundert hielten die Ritterfamilie von Löwenstein die Pfründe der Gau-Weinheimer Katharinen-Kirche. So ist Erpho, der Sohn von Wolfram von Löwenstein, 1331 als Pfarrer von Gau-Weinheim überliefert, der seinen Posten jedoch 1334 bereits wieder abgab. Im Jahr 1391 erklärten der Ritter Johann von Löwenstein und seine Familie schließlich den Verzicht auf die Pfarrei und die Kirche in Gau-Weinheim. 1395 wurde die Gau-Weinheimer Pfarrkirche zusammen mit der Pfarrkirche aus dem hessischen Kriftel in die Besitztümer des Mariengredenstifts inkorporiert.

Ab 1546 führte Kurfürst Friedrich II. in den kurpfälzischen Gebieten die Reformation ein, wodurch die Bewohner*innen der betreffenden Ortschaften auch zum reformierten Glauben übertreten mussten. Während des Dreißigjährigen Krieges (1618 – 1648) wechselte die Herrschaft über die Kurpfalz vermehrt, wobei die Dorfbevölkerungen meist gezwungen waren, sich zur Konfession des jeweiligen Regenten zu bekennen. Nach dem Ende der Kriege des 17. Jahrhunderts führte Kurfürst Johann Wilhelm 1698 für die Kirchen in seinem Herrschaftsbereich das Simultaneum ein, wodurch auch die Gau-Weinheimer Kirche von allen Konfessionen simultan genutzt wurde. Im Zuge der Pfälzischen Kirchenteilung wurde ab 1705 die Kirchen zwischen Reformierten und Katholiken aufgeteilt. Da der Anteil von Katholiken und Reformierten in Gau-Weinheim etwa gleich groß war, wurde per Los entschieden, dass die Gau-Weinheimer Kirche St. Katharina zusammen mit dem Pfarrhaus und dem ganzen Pfarrbesitz den Katholiken zugesprochen werden sollte. Die reformierte Gemeinde richtete sich daraufhin zunächst eine alte Scheune in der Nähe des Pfarrhauses als Gotteshaus her, bevor 1864 eine evangelische Kirche errichtet wurde.

Die heutige katholische Kirche wurde 1740 unter Verwendung älteren Mauerwerks errichtet. An das romanische Kirchenschiff wurde im Osten ein barocker Chor mit nördlich anliegender Sakristei angebaut. An den Ecken des barocken Chors befinden sich noch zwei romanische Steinmasken der mittelalterlichen Vorgängerkirche. Romanische Steinquader des 12. Jahrhunderts, die heute unter dem Putz verborgen sind, befinden sich dagegen in der Südostecke des Kirchenschiffs. Der Gemeindeturm wurde im Zuge der Umbauarbeiten 1749 zum Glockenturm umgebaut und diente mit seinem Geläut mehrere Jahrzehnte beiden christlichen Gemeinden in Gau-Weinheim gleichzeitig. Nachdem die Glocken in beiden Weltkriegen für die Kriegswirtschaft beschlagnahmt wurden, konnte die katholische Gemeinde Gau-Weinheim bereits 1929, beziehungsweise 1949 wieder neue Glocken anschaffen.

Zwischen 1928 und 1930 erfolgte eine Umorientierung der Kirche, wobei die Kirche ihr heutiges Aussehen erhielt. Der bisherige Chor im Osten wurde zum Haupteingang umgebaut und im Westen wurde die Kirche erweitert und ein neuer Chor errichtet. Im Norden wurde ein massiver viergeschossiger Turm auf quadratischem Grundriss mit barockisierender Haube errichtet, der von einem runden Treppentürmchen flankiert wird. Das Kirchenschiff, der ehemalige Chor und die neugebaute Westerweiterung befinden sich unter Satteldächern, während die Sakristei ein Pultdach aufweist. Das Kirchenschiff sowie der barocke Chor und der Turm sind mit Rundbogenfenstern geschmückt, während der neue westliche Chor und das Treppentürmchen Rechtecköffnungen aufweisen.