Sous l'Ancien Régime, la cure de Catheux, dont l'érection semble remonter au 12e siècle, était conférée par le chapitre cathédrale d'Amiens.
D'après ses formes et la facture de ses maçonneries, l'église a dû être construite dans le dernier quart du 12e siècle. Les murs de la nef remontent à cette période. Dans le chœur, des piliers surmontés de chapiteaux à motifs végétaux, ainsi que le chevet plat, percé d'une baie en arc brisé, se rattachent également à ce premier chantier de construction.
Probablement endommagée par les guerres du 15e siècle, l'église est restaurée au cours du 16e siècle. La charpente est alors reconstruite dans le dernier quart du 15e ou premier quart du 16e siècle. Le style des coiffes des personnages figurés sur les blochets sculptés se rattache à cette période. Le chœur est quant à lui fortement remanié. Les baies percées sont typiques du gothique flamboyant.
La sacristie qui flanque le côté nord du chœur a été édifiée en 1854 (AD Oise, archives communales de Catheux). Elle remplace alors celle se trouvant côté sud.
D'après la plaque posée à l'entrée de la nef en 1893, l'abbé Paul Émile Debergne a été à l'initiative de la restauration de l'église dans le dernier quart du 19e siècle.
En 2013, l'église est inscrite au titre des monuments historiques.
Photographe au service de l'Inventaire du patrimoine culturel de la région Hauts-de-France (2023).