Der älteste Teil der Kirche ist der im gotischen Stil errichtete Chor. Er liegt höher als das Mittelschiff und endet in einem fünfseitigen Chorschluss mit hohen Maßwerkfenstern. Das mittlere Fenster war bis zur Restaurierung 1958 größtenteils zugemauert und wurde dann geöffnet. Der Zeitraum der Errichtung des Chors war bis zur Restaurierung von 1979 unklar. Genaue Angaben lieferte eine Rötelzeichnung, die am zweiten südlichen Strebepfeiler im Chor dabei freigelegt wurde. In einem Wappen sind Maurerwerkzeuge zu sehen und darunter die Jahreszahl 1523, die sich wohl auf die Fertigstellung des Chors bezieht. Stilistisch ist der Chor mit dem nur durch Zeichnungen überlieferten Chor der Stiftskirche St. Alban verwandt. Das dortige Stift hatte zur Entstehungszeit des Chors in Undenheim die Baupflicht inne. [Anm. 4]Über die Einrichtung der Kirche vor dem calvinistischen Bildersturm ist nichts bekannt. Mit Sicherheit hatte sie aber die für den liturgischen Gebrauch notwenige Ausstattung sowie einen Hochaltar und wahrscheinlich auch zwei Nebenaltäre, die Pfarrer Häffner noch zu Beginn des 18. Jahrhunderts vorgefunden hat.

Während der Restaurierung der Kirche 1904/06, entdeckte man unter einer Steinplatte Teile eines Heiligen Grabes. Dabei handelt es sich um eine Skulptur den Leichnams Christi darstellend und Teile der in Reliefform ausgeführten Wächter. Es wird angenommen, dass die Gruppe gegen 1430 entstanden ist. Als im Zuge eines von Kurfürst Friedrich III. (1515-1576; 1559–1576) befohlenen Bildersturms (1563) alle Bilder in den Kirchen der Pfalz entfernt werden sollten, da ihre Verehrung den Calvinisten als „Teufelswerk“ galt, wurde das Heilige Grab gerettet, indem es vergraben wurde. [Anm. 6] 1926 wurden die Figuren als Leihgabe dem Dom- und Diözesanmuseum in Mainz überlassen. Seit 1964 befinden sie sich in der Nassauer Grabkapelle des Mainzer Doms. [Anm. 7] Der ursprüngliche Aufstellungsort in der Undenheimer Kirche wird von Hildegard Sobel in der mit einem flachen Bogen abschließende Nische, die sich neben dem Südportal befindet, vermutet. [Anm. 8]

Zwischen der Einführung des lutherischen Bekenntnisses durch Kurfürst Ottheinrich (1502-1559; Amtszeit:1556–1559) 1556 bis zu der Rückkehr des Kurfürsten Karl I. Ludwig (1617-1680; Amtszeit: 1649–1680) nach dem Dreißigjährigen Krieg 1650 gab es mindestens acht Änderungen des religiösen Bekenntnisses in Undenheim. Im Augsburger Religionsfrieden (1555) wurde beschlossen, dass der jeweilige Landesherr bestimmen konnte, welche Religion in seinem Territorium ausgeübt werden sollte. Folgte ein Untertan dieser Religion nicht, so wurde ihm freigestellt, in ein anderes Territorium auszuwandern. Ende des 17. Jahrhundert war die Kirche in Undenheim im simultanen Gebrauch zwischen reformierten und katholischen Christen. Unter dem katholischen Kurfürsten Johann Wilhelm von Pfalz-Neuburg (1658-1716, Amtszeit: 1690–1716) erfolgte nach vorangehenden Uneinigkeiten zwischen den Konfessionen die Kurpfälzische Religionsdeklaration (1705). Mit der Pfälzischen Kirchenteilung von 1707 fiel die Undenheimer Kirche der katholischen Gemeinde zu, einschließlich Pfarr- und Schulhaus. Die reformierte Pfarrei wurde nach Selzen verlegt. [Anm. 9] 

Während der Pfälzischen Kirchenteilung 1705/06 wurden die Kirchen im kurpfälzischen Amt Oppenheim, zu dem Undenheim gehörte, unter den Religionsgemeinschaften aufgeteilt. Die Kirche von Undenheim war unter den im guten Bauzustand befindlichen Kirchen gelistet. Neben Undenheim erhielten die katholischen Christen im Amt auch die Kirchen von Spiesheim, Gau-Weinheim, Weinolsheim, Wintersheim und Eimsheim. Manche Kirchen, wie Bechtolsheim und Gau-Odernheim, wurden geteilt. [Anm. 10]

Obwohl bereits seit 1686 die Franziskanermönche aus dem Kloster in Oppenheim die Hl. Messe in Undenheim und Umgebung lasen, wurde der erste katholische Pfarrer nach der Glaubensspaltung nicht ein Franziskaner- sondern ein Benediktinermönch aus dem Kloster St. Jakob in Mainz. Es handelte sich um Pater Pantaleon Häffner (1671–1745), der 1695 zum Priester ordiniert wurde und seit 1702 Pfarrer und Verwalter in Schornsheim war. Daraus erfolgte ein Rechtsstreit mit dem Franziskanerkloster in Oppenheim. Man argumentierte nicht unbegründet, dass die Franziskaner aus Oppenheim schon seit längerer Zeit die Gegend um Undenheim pastorierten und sie deshalb den Anspruch hätten, den ersten katholischen Pfarrer nach der Glaubensspaltung in Undenheim zu stellen. Obgleich Pantaleon Häffner sowohl vom pfälzischen Kurfürsten als auch von der Mainzer erzbischöflichen Vikarie als Pfarrer eingesetzt worden war – mit der Begründung, dass Undenheim und Umgebung von Schornsheim aus besser zu verwalten war als vom weitab im Rheintal gelegenen Oppenheim – legte das Franziskanerkloster beim Kurfürsten Johann Wilhelm in Düsseldorf und bei der kurpfälzischen Regierung in Heidelberg Beschwerde ein. Die katholischen Bewohner Undenheims baten inständig um Pater Häffner als Pfarrer, denn während die Franziskaner aus Oppenheim allein sonntags die Hl. Messe lasen, kam Häffner auf seinem Pferd auch unter der Woche mehrmals nach Undenheim, um dort die Sterbenden mit den Sakramenten zu versehen, Kranke zu besuchen und Seelsorge zu leisten. Nach einem Vergleich über die Pfarreinkünfte 1708 wurde der gerichtliche Streit 1711 beigelegt und Pfarrer Häffner in Undenheim eingesetzt. [Anm. 11]

Pfarrer Häffner setzte sich tatkräftig für die Instandsetzung und Ausstattung der Kirche ein. In einem Eintrag von 1732 im Kirchenbuch beschreibt er den Zustand der Kirche bei seiner Ankunft: Als ich hierher kam fand ich überhaupt nichts an Paramenten, die Kirche glich einem Stall. [Anm. 12] Durch einzelne Wohltäter und durch Initiative des Pfarrers konnten mehrere wichtige Anschaffungen getätigt werden. 1709 ließ Pfarrer Häffner aus eigenen finanziellen Mitteln einen steinernen Seitenaltar und den Taufstein errichten. Den kupfernen Kessel dazu beschaffte der katholische Schulmeister Johann Peter Hubernagel. 1714 wurde das Kirchengestühl aus der Kirchenkasse bezahlt. Dazu schreibt Häffner in lateinischer Sprache: 1714: In hoc anno sunt … scamna pro navi ecclesiae comparata sunt. [Anm. 13] 1727 wurden wiederum Kirchenbänke angeschafft. Es handelt sich dabei wahrscheinlich um die heute noch vorhandenen. [Anm. 14] Das elegante Kirchengestühl mit den schön verzierten geschweiften Bankwangen ist sehr wahrscheinlich aus einer anderen Kirche aufgekauft worden, denn gerade der obere Abschluss im Knorpelwerk-Stil war im Gegensatz zum üblichen Akanthus-Werk zu Beginn des 18. Jahrhunderts als Dekorationsform außer Gebrauch gekommen. Spätestens gegen 1690 kommt das Knorpelwerk aus der Mode. Hildegard Sobel äußert bereits die stilistisch begründete Vermutung der Herkunft des Gestühls aus einer anderen Kirche in ihrer Studie zu den Kirchenbänken im Gebiet des Mittelrheins. [Anm. 15] Die Bankwangen des Kirchengestühls in Undenheim sind an den Rändern von Knorpelwerk verziert. Im unteren Bereich sind gegenständige Tierprotome zu sehen. Die Qualität der Bankwangen ist beachtlich, so dass es durchaus möglich erscheint, dass sie von einer der Mainzer Kirchen stammen, die zu Beginn des 18. Jahrhunderts neue Bänke beschaffen hatte. 1738 wurde auch ein Gestühl für den Schultheißen und die Schöffen angeschafft, das unter der Orgelempore seinen Platz fand.

Als der Chorraum 1906 umgestaltet wurde, hat man auch die Chorfenster angeschafft. [Anm. 26] Die schönen Buntglasfenster mit religiösen Motiven sind meist von einheimischen Familien oder Gruppen gestiftet worden. In Rheinhessen sind solche Kirchenfenster in recht hoher Zahl erhalten. Ihnen ist allen gemeinsam, dass sich die Stifter der Fenster in einem Rahmen unter dem Bildmotiv zu erkennen geben. Die vielen Beispiele aufzuzählen macht hier keinen Sinn. In unmittelbarer Nähe zu Undenheim hat die katholische Kirche von Friesenheim Fenster mit Heiligenmotiven und Stifterinschriften.

Die zwei Fenster in Undenheim zeigen biblische Szenen, links die Epiphanie Christi und rechts die Schlüsselübergabe an den Hl. Petrus. Letzteres Fenster verdient besondere Aufmerksamkeit. Neben den Hauptakteuren Jesus Christus und Petrus sind die zwei Lieblingsjünger Jesu Johannes und Jakobus der Ältere dargestellt. Hinter ihnen ist ein mit zum Gebet gefalteten Händen die Szene betrachtender Prälat ohne Heiligenschein dargestellt. Es handelt sich um den Mainzer Bischof Georg Heinrich Maria Kirstein (1858–1921; Amtszeit: 1904–1921). Die Umschrift lautet: Du bist Petrus und auf diesem Felsen will ich meine Kirche bauen (MT 16). Bischof Kirstein ist nach einer zeitgenössischen Fotografie von ihm dargestellt. Die Stifter des Fensters haben sich unterhalb der Szene verewigt. Dort steht: Gest. v. d. Fam. Bruiard u. Lahr. Die Familie Lahr erschien erstmals 1714 im katholischen Kirchenbuch. Der Familienvater Hermann Lahr war Bäcker. Noch 1706 ließ er ein Kind reformiert taufen, was darauf hinweisen könnte, dass die Familie daraufhin zum katholischen Glauben konvertiert ist. [Anm. 27] Das Fenster mit der Epiphanie Christi ist von der Familie des Johannes Frank gestiftet. Die Inschrift zeigt den in lateinischer Sprache verfassten Psalm Reges Tharsis et insulae munera offerent. Der Psalm ist der Eingangspsalm zum Fest der Hl. Drei Könige und Epiphanie. So sind diese Fenster ein beeindruckendes Zeugnis frommer Stiftungen der Vergangenheit. Im 1729 verfassten Visitationsbericht gibt P. Häffner an, dass die Kirche in Undenheim drei Altäre besaß. Den Hochaltar zu Ehren der Allerseligsten Jungfrau Maria und zwei kleine Nebenaltäre zu Ehren der Hl. Katharina von Alexandria und der Hl. Barbara von Nikomedien. Die Statue der Hl. Barbara war 1727 von einem Stiftsherrn namens Beer aus Mainz gestiftet worden. [Anm. 28] 

In formaler Hinsicht harmonierten die Seitenaltäre gut mit dem Hochaltar und seinem runden Aufbau. Der rechte Altar erhielt im 19. Jahrhundert eine Skulptur des Hl. Joseph mit dem Jesusknaben, die sich heute noch in der Kirche befindet. Im linken Altar fand die Statue der Maria Immaculata ihren Platz, die ehemals in der Mitte der Kirche hing. [Anm. 35] 1907 wurden die Figuren der 14 Nothelfer restauriert und neu bemalt. [Anm. 36] Nachdem der Hochaltar 1909 durch den Altar aus Saarbrücken ersetzt worden war, fielen die Seitenaltäre nach und nach dem Stilempfinden der Neugotik einerseits sowie dem modernen Zeitgeist andererseits zum Opfer. Zuerst wurde der St. Anna-Altar durch ein neugotisches Retabel ersetzt, der 1909 in Auftrag gegeben wurde, aber – aufgrund von Geldmangel – erst 1926 vollendet war. [Anm. 37] Der Anna-Altar wurde mit der Figur der Hl. Anna versehen, durch eine kleinere als Maria gedeutete Heiligenfigur ergänzt und an die Seitenwand des Kirchenschiffs gestellt. Ins neugotische Retabel kamen die Nothelfer-Figuren zusammen mit der Maria Immaculata, wie das heute noch zu sehen ist. Im Gesprenge des Retabels war eine Muttergottes von Lourdes zu sehen, die heute in der Sakristei steht. Das Gesprenge wurde bei der Renovierung 1958 entfernt. Der neugotische Seitenaltar, der durchaus seine künstlerische Qualität hat, wurde durch diese Verstümmelung seiner Wirkung vollends beraubt. Der rechte Seitenaltar wurde nicht entfernt und so standen sich ein neugotischer Altar und ein barocker Altar gegenüber, was freilich keinen harmonischen Anblick bot. Der rechte Seitenaltar wurde bei der Renovierung 1958 entfernt, so dass die Skulptur des Hl. Joseph heute vor der nackten Wand steht.  

Wohl auch aus der Augustinerkirche stammt die Figur der Hl. Anna. Sie wird dem Bildhauer Martin Biterich zugeschrieben, vereinigt allerdings wenige Merkmale der Kunst dieses Bildhauers. Vielmehr verweisen die mandelförmigen und leicht nach unten gezogenen Augen der Heiligen auf Gesichtszüge, die der Kunst des Aschaffenburger Bildhauers Anton Wermerskirch (1654–1728) zu eigen sind. [Anm. 41] Die kleine weibliche Heilige bei der Hl. Anna muss nicht zwingend Maria sein. Es widerspricht dem Darstellungstopos Maria im Zusammenhang mit ihrer Mutter Anna als kleinformatige Figur darzustellen. Zudem ist die Figur zu klein, so dass ihr im 19. Jahrhundert ein Sockel beigegeben wurde, um sie auf adäquate Höhe zu heben. Es spricht also nichts dafür in der kleinen Gestalt Maria zu erblicken. Vielmehr könnte es sich bei der kleinen Statuette um eine Figur handelt, die schon immer in Undenheim gewesen ist. Mit ziemlicher Wahrscheinlichkeit ist eine Märtyrerin dargestellt, die etwas in ihrer rechten Hand hielt. Möglicherweise handelt es sich um die Figur einer der beiden kleinen Nebenaltäre. Vielleicht ist das die Figur der Hl. Barbara, die 1727 gestiftet wurde? Stilistisch lässt sich noch kein konkreter Künstler für die Figur benennen. Eventuell kommt Christian Rosaller aus Mainz in Frage.