1527 wurde in Kemel das lutherische Bekenntnis eingeführt, 1605 das reformierte, 1626 wieder das lutherische, wobei von 1680 bis 1723 auch ein reformierter Pfarrer in Kemel ansässig war. Reformierter Einfluss zeigt sich darin, dass die Katharinenkirche keinen Bildschmuck aufweist. Im Herzogtum Nassau, zu dem Kemel seit 1816 gehörte, wurden im August 1817 lutherische und reformierte Gemeinden zu einer einzigen Landeskirche vereinigt („uniert“). Die Kirche wird im Jahr 812 in einer Beschreibung der Abtei Bleidenstadt zum ersten Mal schriftlich erwähnt, ist aber sicher älter. Der Ort war auch Römerkastell; ostwärts verlief der Limes. Der Name „Kemel“ soll auf das keltische Wort für Berg, Kahemel, zurückgehen. Das Umland hieß immer schon die „Kemeler Heide“, daher der jetzige Name für die Bürgergemeinde „Heidenrod“.
Die von dem Würzburger Künstler Max Fritz (1902–1991) geschaffenen Altartücher („Paramente“) erinnern an Katharina von Alexandria, der die älteste Kemeler Kirche geweiht war. Die ägyptische Heilige wurde der Legende nach im Jahre 306 für ihren christlichen Glauben zunächst gerädert und schließlich mit fünfzig gelehrten Männern, die sie von der Wahrheit des Christentums überzeugt hatte, auf Befehl des Kaisers Maxentius enthauptet. Sie gilt als Schutzpatronin u. a. der Philosophen und Juristen und wurde im Mittelalter in den Kreis der „Vierzehn Nothelfer“ aufgenommen, was ihre besondere Popularität erklärt. Das alte Kemeler Gerichtssiegel zeigte ihr Bild. Ihr Gedenktag ist der 25. November.
Der spätromanische wehrhafte Kirchturm stammt aus dem 13. Jahrhundert. Möglicherweise wurde er genau an der Stelle errichtet, wo sich das Fahnenheiligtum des alten Römerkastells befand. Der spitze Turmhelm geht auf das Jahr 1693 zurück. In 2026 wurde der Kirchturm vollständig saniert und restauriert mit einem neuen Anstrich. Die älteste noch erhaltene Glocke wurde im 14. Jahrhundert gegossen. Sie trägt die Inschrift „Ave Maria“. Die beiden anderen Glocken mussten nach dem Zweiten Weltkrieg neu beschafft werden. Als die katholische Kirchengemeinde 1967 in Kemel den Neubau der Michaelskirche in Kemel neu errichtete, ließ sie ihr Geläut auf die Glocken der evangelischen Kirche abstimmen. So klingen die sechs Kemeler Glocken harmonisch zusammen.
Das Kirchenschiff wurde 1819 oder 1827 aufgestockt, der Chorraum in der heutigen Form 1843 angebaut. Renoviert wurde die Kirche zuletzt 1935 und in den Jahren 1966 bis 1970. Weil die Kirche durch einen Mittelgang noch länger wirkte und die Säulen die Sicht behinderten, wurde das Gestühl bei der letzten Renovierung zwischen den Seitengängen neu aufgestellt. Die Kanzel trägt die Jahreszahl 1697 und die Anfangsbuchstaben der Stifternamen. Sie stand ursprünglich an einer Seitenwand.
Der Taufstein aus der Zeit um 1500 dürfte bei der Einführung des reformierten Bekenntnisses 1605 seiner Bilder beraubt und aus der Kirche entfernt worden sein. 1931 holte ihn die Frauenhilfe auf Anregung von Pfarrer Dr. May von einem Bauernhof in Hettenhain, wo er als Viehtränke gedient haben soll, zurück. Damals wurden noch fast alle Kinder zuhause getauft, und Pfarrer Dr. May versuchte vergeblich, die „Kirchentaufe“ wieder populär zu machen.
