Die ersten kirchlichen Nachrichten stammen aus dem Jahr 1113. Damals war Mainsondheim eines der neun Maindörfer, die zur Mutterkirche im nahen Schwarzach gehörten. Die Abtei Münsterschwarzach hatte wohl die Dorfherrschaft inne und übte zugleich auch die Seelsorge in Mainsondheim aus. Um 1223 übertrug Friedrich von Scheinfeld dem Schwarzacher Abt Herold eine kleine Kapelle in Mainsondheim, dieser Vorgang wurde vom Würzburger Bischof Dietrich von Homburg genehmigt.

Die folgenden Jahrhunderte waren von häufig wechselnden Zugehörigkeiten geprägt. Zu einem unbekannten Zeitpunkt verlor die Abtei Münsterschwarzach ihre Pfarrfunktion und Mainsondheim wechselte zum Pfarreiverband der Kirche in Prosselsheim. Am 28. November 1465 kam das Gotteshaus im Dorf an das nahe Dettelbach, dessen Augustinuskirche allerdings weiterhin vom Prosselsheimer Pfarrer aus betreut wurde. Zeitweise existierte in Mainsondheim aber wohl auch eine eigene Pfarrei.

Auf das 15. Jahrhundert datiert auch das älteste, heute noch erhaltene Bauteil der Marienkirche. Der dreigeschossige Turm entstand zu dieser Zeit. Erst im 16. Jahrhundert tauchte die Kirche dann in den Quellen wieder auf. Mainsondheim, inzwischen zur lutherischen Konfession übergetreten, wurde von der Kirche in der Nachbargemeinde Albertshofen mitverwaltet. Die Herren von Crailsheim unterstützten als Dorfherren den Konfessionswechsel und errichteten 1583/1584 das Langhaus der Kirche neu.

Nach der Fertigstellung des neuen Gebäudeteiles ließen die Dorfherren das Gotteshaus neuerlich benedizieren. Diesmal erfolgte die Weihe nach evangelischem Ritus und wurde vom Prichsenstädter Pfarrer Thomas Wagner am 8. April 1584 vorgenommen. Die Herren von Crailsheim setzten den Pfarrer Helias Schäch als Geistlichen ein. Dennoch hielten sich einige Katholische in Mainsondheim, die von den Dettelbacher Franziskanern seelsorgerisch betreut wurden.

Mit dem Wechsel der Dorfherrschaft versuchten zu Beginn des 17. Jahrhunderts die Fuchs von Dornheim wieder die katholische Lehre in Mainsondheim zu etablieren. Veit Hartmann Fuchs von Dornheim forcierte diese Bemühungen seit dem Jahr 1613. Die Stadt Kitzingen legte beim Markgrafen von Ansbach, der evangelisch war, zwar Beschwerde ein, trotzdem wurde Mainsondheim im Jahr 1615 wieder ein katholisches Dorf.

Nun musste das Gotteshaus am 19. November 1628 wieder katholisch benediziert werden. Die Weihe nahm der Würzburger Weihbischof Jodokus Wagenhauber in Anwesenheit der Bischöfe Philipp Adolf von Ehrenberg zu Würzburg und Johann Georg II. Fuchs von Dornheim zu Bamberg vor, letzterer hatte verwandtschaftliche Beziehungen zum Dorfherren von Mainsondheim und stiftete der Kirche einen Kelch und ein reich verziertes Kirchenornat.

Während des Dreißigjährigen Krieges blieben die Mainsondheimer trotz protestantisch-schwedischer Durchzüge katholisch. Die Bevölkerung errichtete sogenannte Wetterkreuze im Dorf. Nach dem Krieg übernahmen die Franziskaner aus der Dettelbacher Kirche Maria im Sand die Seelsorge im Ort. Insgesamt 35 Ordensleute betreuten bis zum Jahr 1835 die Gläubigen in Mainsondheim. 1681 wurde die Kirche von einer ungewöhnlich hohen Mainflut betroffen.

Im Jahr 1704 besserte man den Turm der Kirche aus, einige Jahre später, 1710, renovierte die Gemeinde die Wetterkreuze. Das gleiche Jahr war mit der Etablierung einer Wallfahrt zur Muttergottes nach Dettelbach verbunden. Noch in der ersten Hälfte des 18. Jahrhunderts nahm die Herrschaft eine Gesamtrenovierung des Gotteshauses vor, die mit 198 Gulden zu Buche schlug. Im Jahr 1776 bestimmten die Geistlichen, dass jeden Sonn- und Feiertag ein Amt mit Predigt in der Marienkirche gelesen werden sollte.

Durch die Napoleonischen Kriege war auch Mainsondheim einiger Durchzüge französischer Truppen ausgesetzt. Aus Furcht vor Plünderungen hatte man die Wertgegenstände der Kirche nach Dettelbach und Mainstockheim verbracht. Erst 1801 wurden die Stücke zurückgebracht. Hierzu bezahlte die Gemeinde einen Hofbauer, 1803 wurden die Objekte geputzt. Im Jahr 1821 verlegte man den Friedhof aus dem Kirchhof auf den Rosenberg.

Im 19. Jahrhundert wuchs die Gemeinde weiter an und die Verantwortlichen planten, in Mainsondheim eine eigene Kuratie zu errichten. 1835 versetzte man Kaplan Straub aus Zeuzleben als provisorischen Pfarrverweser ein, bald folgte ihm Adam Blendel nach. Blendel errichtete mit eigenen Mitteln das Pfarrhaus. Im Jahr 1836 wurde Mainsondheim zur Pfarrkuratie erhoben. 1872 restaurierte die Gemeinde die Marienkirche innen und belegte den Boden mit neuen Sandplatten.

Einige Jahre zuvor, 1857, waren die katholischen Einwohner von Albertshofen in die Kuratie Mainsondheim eingepfarrt worden. 1882 wurde die Kirche durch einen Blitzschlag in Mitleidenschaft gezogen. 1899 errichtete die Gemeinde eine Muttergottesgrotte neben der Kirche. Im Jahr 1906 wurde die Kirche einer Generalsanierung unterzogen und 1970/1971 renoviert. Im Jahr 1990 wurde das Innere der Kirche erneuert, 1994 der Außenbau renoviert.

Das Gotteshaus ist eine Chorturmkirche mit einem eingezogenen, quadratischen Ostchor. Eine Sakristei wurde am südlichen Chor angebracht und in den 1970er Jahren erweitert. Am nördlichen Langhaus befindet sich ein runder Treppenturm mit einer kleinen Haube. Der Turm ist dreigeschossig und wird im Erdgeschoss von einigen Rundbogenfenstern mit Maßwerk beleuchtet. Das Langhaus schließt mit einem Satteldach ab.

Das Langhaus weist im Inneren drei Achsen auf. Es wurde mit einer Flachdecke ausgestattet, der Turm besitzt innen ein Kreuzgewölbe.

Hochaltar
Der Chor im Ostturm wird vom Hochaltar der Kirche beherrscht. Er hat einen zweisäuligen Aufbau und ist mit einem gesprengten Giebel ausgestattet. Der Altar wurde vom Bamberger Künstler Georg Prunner errichtet und im Jahr 1626 aufgestellt. Das Blatt des Hochaltars stammt von einer Stiftung des Moritz Freiherr von Mauchenheim genannt Bechtolsheim und wurde vom Würzburger Maler Andreas Leimgrub im Jahr 1861 geschaffen.
Das Blatt zeigt die Darstellung der Pietà, der schmerzhaften Gottesmutter. Links und rechts wird das Bild von den Assistenzfiguren des heiligen Vitus (links) und der heiligen Barbara (rechts) eingerahmt. Im Auszug wurde eine vollplastische Darstellung des siegreichen Christus angebracht, die Frankenheiligen Kilian und Burkard sind als Assistenten zu erkennen. Der Altar wird vom Christusmonogramm IHS bekrönt.

Seitenaltäre
Neben dem Hochaltar existieren in der Marienkirche zwei weitere Altäre links und rechts des Chorbogens. Sie wurden zu unterschiedlichen Zeiten geschaffen. Der sogenannte Herz-Jesu-Altar stammt aus der Mitte des 18. Jahrhunderts und ist mit Rokokomuschelwerk verziert. Das Blatt vom Atelier Leimgrub als Stiftung des Hermann von Mauchenheim genannt Bechtolsheim kam 1884 in die Kirche.
Assistenzfiguren des Herz-Jesu-Altars sind die Heiligen Franziskus (links) und Aloisius (rechts). Bekrönung ist ein vollplastischer Johannes Evangelist. Der Aufbau des Marienaltars auf der südlichen Seite des Chorbogens wurde 1626 von Georg Prunner geschaffen. Statt eines Altarblattes trägt er eine Figur der Muttergottes aus dem 18. Jahrhundert. Rechts befindet sich die Figur des Franziskus, links die des heiligen Benedikt.

Epitaphe
Im Inneren der Kirche, insbesondere im Chor sind einige Epitaphe der Freiherren von Mauchenheim genannt Bechtolsheim aufgestellt. Das älteste dieser Grabdenkmäler ist dem Reinhard Philipp Anton von Mauchenheim genannt Bechtolsheim gewidmet. Die Inschrift lautet auszugsweise: „I.M.I. Anno 1735 den 5. May ist in Gott Seelig entschlaffen der Reichs-Freij Hochwohlgebohrene Herr Reichard Philipp Anton von Mauchenheim genannt Bechtolsheim (…)“.
Im nördlichen Chor erhielt die Freifrau Franziska Johanna von Mauchenheim genannt Bechtolsheim ein Epitaph. Sie verstarb im Jahr 1764 und wurde in der Kirche beigesetzt. Im südlichen Chor befindet sich das Epitaph des Constantin Adolf von Mauchenheim genannt Bechtolsheim. Er wurde dort beigesetzt, nachdem er im Jahr 1780 verstorben war. Alle Epitaphe in der Marienkirche wurden aus dem typischen Sandstein der Region geschaffen.

Glocken
Das Geläut der Marienkirche besteht aus insgesamt drei Glocken. Die älteste stammt aus dem Jahr 1720 und wurde vom damaligen Würzburger Dompropst Johann Philipp Fuchs von Dornheim gestiftet. Im Jahr 1942 mussten zwei der drei Glocken eingeschmolzen werden. Erst am 26. Oktober 1952 konnte das Geläut wieder komplettiert werden. Die Glockengießerei Letter aus Bamberg goss die neuen Glocken, die im Glockenstuhl aufgehängt wurden.
Grundton Gussjahr Durchmesser in Zentimeter Gewicht in Kilogramm Reliefs; Inschriften
b’ 1952 113 800 Muttergottes, Kreuzigung; „Die Lebenden ruf ich, die Toten beklag ich“
c’’ 1952 86 370 „Die Mainsondheimer Bürger ihren Gefallenen aus zwei Weltkriegen zum ehrenden Gedächtnis. 1952“
g’ 1720 77 225 Gekreuzigter, Wappen Fuchs von Dornheim; „SOLI DEO GLORIA“, „J P F V D E C H P“