Bei der im Juli 1981 durchgeführten Untersuchung des Bundesdenkmalamtes konnte ein Rundbau mit 14 Meter Innendurchmesser ergraben werden. Der Fundamentgraben war 2,25 Meter breit. Diese Rundkirche konnte nur mehr in den Anrißgräben innerhalb der heutigen Kirche festgestellt werden. Eine kurze Untersuchung außerhalb der Kirche mit dem Ziel, die Apside zu finden, musste, da sich an dieser Stelle die neuzeitliche Friedhofsanlage befand, ergebnislos abgebrochen werden. Die vier Fundamentreste innerhalb des Rundbaues konnten anhand der verwendeten Ziegelformate in die Zeit zwischen 1450 und 1530 datiert werden und wurden als später angebaute Stützpfeiler erkannt. Man kann also mit ziemlicher Sicherheit annehmen, dass es sich um die 1334 genannte Kirche handelt, an der um 1500 Stützpfeiler errichtet werden mussten. Von der Einrichtung dieser Kirche ist nur bekannt, dass sie einen St. Martinsaltar hatte. Da aber 1696 ein Organist und Schulmeister namens Franz Chymani genannt wird, muß auch eine Orgel vorhanden gewesen sein. Über den Bauzustand schrieb Antonius Palli, Dechant und Pfarrer von Falkenstein nach einer 1696 durchgeführten Visitation der Pfarre Ottenthal nach Wien: „Die Pfarrkirche ist zum Teil ruinös, soll aber im nächsten Jahr von Grund auf neu gebaut werden.“ Der Neubau wurde genehmigt, und es dürfte sofort mit der Arbeit begonnen worden sein. Da aber der Altarraum der alten Kirche außerhalb der neu zu erbauenden lag, blieb dieser noch lange Zeit stehen, und es wurde hier das Messopfer gefeiert.
Im Visitationsbericht 1699 heißt es unter anderem: „Die Kirche ist ganz und gar über den Haufen geworfen, und wird dafür ein schön prächtigs Gotteshaus aufgerichtet, theils aus Mittel des Patroni, theils aber an hilfen der Kirchen und der Gemein“. Die Außenarbeiten dürften mit der Aufsetzung des Giebelkreuzes, das die Jahreszahl 1700 trägt, beendet worden sein. Dechant Johann Anton Stürckh berichtet, dass am Sonntag Exandi 8. Mai 1701 Kardinal Kollonitsch die Kirche zu Ottenthal geweiht und bei 200 Personen gefirmt hat. Der Weihetag wird im Visitationsbericht von 1707 bestätigt. Weiters heißt es, dass die Kirche 3 Altäre hat und noch keinen Turm. Dieser dürfte 1719/20 erbaut worden sein, denn im Visitationsbericht lesen wir: „Die Friedhofsmauer ist zum Teil weggeräumt, damit die Fuhrwerke das Baumaterial für den Turm herbeibringen konnten und zudem seien schon zwei Glocken aufgezogen worden“. Vieles vom Bau der Kirche und der Herkunft ihrer Einrichtung liegt noch im Dunkeln. Dass der erste Hochaltar schon in der früheren Kirche stand, ist bekannt, aber woher stammen die Glocken, die Orgel und der prächtige hohe Barockaltar mit dem Bild des hl. Martin im Ausmaß von 349 x 209 cm und den überlebensgroßen Statuen der Aposteln Petrus und Paulus? Pfarrer Offner (1913 - 1933) hatte von alten Leuten erfahren, dass er aus einer unter Kaiser Josef II. aufgehobenen Wiener Kirche stammen soll.
Vom Turm weiß man, wie uns die Pfarrchronik berichtet, dass er 1793 an der Laterne repariert wurde. Am 4. Februar wurden 14 Kreuzwegbilder von Wohltätern aus der Gemeinde um den Betrag von 595 Gulden angekauft. In dieser Zeit kam auch eine dritte Glocke auf den Turm. Alle drei stürzten beim Großfeuer am 15. April 1832, wo neben 68 Häusern auch die Schule und der Kirchturm abbrannten, herunter. Die große Glocke zersprang dabei. Erst im Sommer 1834 konnte das Turmdach wieder errichtet und mit Ziegel gedeckt werden. Am 13. September wurden wieder 3 Glocken auf den Turm gezogen.
Baumeister Reischl aus Nikolsburg deckte 1871 das Turmdach mit Blech nach dem Muster der Stadtpfarrkirche St. Wenzel in Nikolsburg. Der Turm blieb in dieser Form bis heute erhalten, das Innere hat aber öfters Änderungen in diesem Jahrhundert erfahren. Im Jahre 1903 war der Hochaltar schon sehr verwittert und renovierungsbedürftig. Die Gemeinde beschloss daher auf Vorschlag von Pfarrer Albert Schubert, anstatt der teueren Renovierung des alten Altares einen neuen Hochaltar zu bestellen. Der Auftrag zur Erbauung desselben wurde an die Firma Josef Rifesser in St. Ulrich bei Gröden in Tirol vergeben. Ende Mai 1904 wurde der Hochaltar in der Kirche aufgebaut. Die Einweihung nahm am 10. Juli dieses Jahres der Hw. Weihbischof von Wien, Dr. Gottfried Marschall, vor. Wegen seiner reichen Vergoldung, dem zierlichen Aufbau und der künstlerischen Ausführung fand er allgemeine Anerkennung, doch bald wurden die ersten Stimmen laut, dass er nicht zum Baustil der Kirche und der Seitenaltäre passe, sowie auch als Hauptaltar zu klein sei. Dieser Ansicht waren auch die nach Pfarrer Schubert folgenden Seelsorger. Im Jahre 1961 wurde in der Frauenbergkirche Krems-Stein, die zu einer Gedächtnisstätte für die Gefallenen umgewandelt werden sollte, der Hochaltar abgegeben. Dieser wurde von der Pfarrgemeinde Ottenthal samt mehreren Bildern, darunter 14 Kreuzwegstationen erworben, im Atelier Pfaffenbichler in Wien renoviert und in der Kirche nach Restaurierung des Presbyteriums aufgestellt. Die feierliche Weihe erfolgte am 23. Dezember durch Erzbischof Dr. Franz Jachym.
Im Jahre 1979 beschloss man eine große Sanierung und Renovierung der Kirche, bei der nach Trockenlegung des Fußbodens auch ein neues Pflaster verlegt wurde, sowie alle Bänke und der Beichtstuhl erneuert wurden. Bis September 1997 waren 6 Millionen Schilling in die Renovierungsarbeiten investiert worden.
Das seltene Fest einer Glockenweihe feierte unsere Pfarre am 5. Oktober 2002 in Anwesenheit von Weihbischof Dr. Ludwig Schwarz. Die neue Glocke ist dem hl. Josef geweiht, hat ein Gewicht von 640 kg, ist ca. 1 m hoch und wurde von der Glockengießerei Grassmeyr in Innsbruck hergestellt. Sie besteht aus 80 % Kupfer und 20 % Zinn und ist auf den Ton „G1“ gestimmt. Sie trägt die Aufschriften „Hl. Josef beschütze unsere Bevölkerung“ und „Gemeinde Ottenthal 2002“. Diese Glocke soll die alte 12er-Glocke ersetzen, da diese durch ihr Gewicht eine zu große Belastung für das Turmbauwerk darstellte. Die Gesamtkosten für die Glocke und Turmsanierung liegen bei ca. 110.000 Euro, die von Bund, Land, Diözese und Pfarre (Unterstützung durch die Gemeinde in Höhe von 7.000 Euro) getragen wurden.