Der volkstümliche Name der imposanten Kirche, die romantisch in den Flußauen der Wern inmitten eines ummauerten Friedhofs liegt, stammt vermutlich von einer Siedlung mit Namen „Suntheim"; diese befand sich im späten Mittelalter in der Nähe der heutigen Kirche und ging später in der Stadt Arnstein auf. Dort gab es im 13. Jahrhundert einen Beginenhof, auf den wohl auch die Errichtung des ersten Gotteshauses zu Ehren der Mutter Gottes zurückgeht.
Im Jahre 1307 – kurz vor der Auflösung des Beginenhofes – erscheint erstmals eine Kirche an diesem Ort in den Urkunden. 1339 wird die Kirche zu „Suntheim alias Arnstein" als kirchlicher Mittelpunkt für die neu gegründete Stadt genannt. 1419 stifteten dann die Brüder Konrad und Bartholomäus von Hutten eine ewige Messe auf dem Marienaltar der „Pfarrkirche Suntheim, außerhalb der Mauern der Stadt Arnstein". Von diesem Zeitpunkt an traten die Herren von Hutten, die um 1350 in Arnstein ansässig wurden und ausgedehnten Familienbesitz erwarben, immer wieder als Förderer der Kirche hervor. Die Familie, die bis 1489 Pfandinhaber von Amt und Stadt war, wählte Maria Sondheim gar zur Grablege ihres Geschlechts.
Eines dieser aufwändigen Grabmäler, nämlich das des Ludwig von Hutten aus dem Jahr 1517, auf dem unter anderem zwei auf einem Eber reitende Putti zu sehen sind, wurde viele hundert Jahre später gar zum Anlass für eine nachträgliche Entstehungslegende: So sollen sich einst zwei kleine Söhne des Ritters heimlich vom Schloss entfernt haben. Nach erfolgloser Suche gelobte die verzweifelte Mutter, Maria dort eine Kirche zu bauen, wo man die beiden finden würde. Daraufhin fand man die Kinder in einem Weinberg, wo sie friedlich mit einem Rudel wilder Schweine spielten.
Der Baubeginn des heutigen spätgotischen Kirchenbaus fällt in die Mitte des 15. Jahrhunderts. Kennern fällt bei einem Blick ins Innere auf, dass die Kirche wohl anders geplant war – nämlich als dreischiffige Hallenkirche mit wenig überhöhtem Mittelschiff und geradem Chorabschluss. Bereits nach wenigen Jahrzehnten musste dieser ehrgeizige Plan jedoch zugunsten eines schlichteren aufgegeben werden; erst zu Beginn des 16. Jahrhunderts wurde der Bau vollendet. Unter Fürstbischof Julius Echter von Mespelbrunn wurde 1605 eine Flachdecke eingezogen.
Als 1796 französische Truppen im Werntal lagen und in Maria Sondheim eine Feldschmiede einrichteten, erlitt die Kirche schwere Schäden. Den drohenden Abbruch nach der Säkularisation konnte nur der massive Widerstand der Bevölkerung verhindern. In den Jahren 1892/93 wurde die Kirche dekorativ ausgemalt und im neugotischen Stil ausgestattet; zugleich wurden die Epitaphien vom Fußboden an die Wände verlagert. Die nachträgliche Neugotisierung wurde jedoch 1954 wieder entfernt, um so die ursprünglichen klaren Formen des Kirchenbaus wiederherzustellen. Mit der letzten großen Renovierung in den Jahren 2000 bis 2002 ging auch eine Neugestaltung des Chorraumes durch Domkapitular Dr. Jürgen Lenssen einher.
