Du mobilier d'Ancien Régime, il reste plusieurs objets. Le plus ancien est la statue de la Vierge à l'Enfant dite aux raisins, en bois polychrome, installée sur un autel secondaire du bas-coté nord. L'accès au contrat de fabrication de la statue a permis de la dater de 1583. Le sculpteur en est Nicolas Le Prince et le peintre Thomas Le Pot. L'œuvre a été classée au titre des objets mobiliers en 2004. Le Christ en croix (bois polychrome) accroché en face de la chaire à prêcher est datable du 17e siècle. Il est également classé au titre des objets mobiliers. Quant au Christ déposé dans le chœur, il se trouvait à l'origine sur la poutre de gloire. Si ses pieds ont été remplacés, le reste du corps est datable de la fin du 16e ou du début du 17e siècle.
Le retable monumental au fond du chœur est une œuvre de la fin des années 1780 : elle aurait été installée par le sieur Lesage, marchand de draps parisien qui a racheté les terres de Catheux et fait construire un château dans le village à la même période. Le tableau d'autel présente saint Denis prêchant. Copie interprétée d'une œuvre visible dans l'église Saint-Roch à Paris, il illustre les liens entre Lesage et la capitale. Dans la partie inférieure à gauche, on remarque un portrait d'enfant, dont le style de la coiffure et du vêtement se rattache à cette époque. En revanche, l'autel et son tabernacle ainsi que les autres autels de l'église sont datables des années 1820-1830. Dans les mêmes années (1822), le Christ accroché sur la poutre de gloire est déplacé à l'extérieur sur le calvaire du village, installé sur la butte à l'emplacement de la motte féodale. Il a rejoint son emplacement actuel dans les années 2000.
L'ensemble des statues en plâtre encore visibles est issu de la campagne de décoration du dernier quart du 19e siècle. On la doit au desservant, l'abbé Paul Émile Debergne, dont la mémoire est honorée par une plaque commémorative installée au revers de la façade occidentale. Les statues des deux anges adorateurs de part et d'autre du retable, ainsi que celles de la Vierge et du Christ au Sacré Cœur, sont à associer à l'entreprise de cet abbé. Les saints personnages disposés contre les piliers de la nef, le chemin de croix, complet, et les bancs, semblent appartenir au même ensemble. Le mécanisme d'horloge signé Renard, situé dans le bas-côté nord, date du dernier quart du 19e siècle.
C'est peut-être au début du 20e siècle qu'ont été installés les actuels fonts baptismaux. Après la Première Guerre mondiale, une plaque à la mémoire des enfants de la paroisse morts pour la France est posée. À la suite du concile de Vatican II (1962-1965), un nouvel autel et un pupitre ont été placés au centre du chœur.
Photographe au service de l'Inventaire du patrimoine culturel de la région Hauts-de-France (2023).