Der einzigartige Bestand an historischer Verglasung verleiht der Katharinenkirche ihre ganz besondere Ausstrahlung – bei Sonnenschein wird der Kirchenraum in ein Meer aus Farben getaucht. Seit dem 15./16. Jahrhundert sind Reparaturarbeiten an der Verglasung der Fenster belegt. Die Zerstörungen des Jahres 1689 haben im Bestand der historischen Glasmalerei schwere Schäden hinterlassen. Dass sich die mittelalterliche Glasmalerei während des Stadtbrandes in der Kirche befand, lässt sich anhand von Ruß-Spuren an den Scheiben noch heute belegen. Im 19. Jahrhundert ergänzte man die historischen Fenster im Osten und im Langhaus der Kirche durch neue Gläser mit mittelalterlicher Motivik. Im Zuge dieser Maßnahmen versetzte man auch die Reste des Passionsfensters aus dem beschädigten Westchor in das mittlere Fenster des Altarhauses. Der Westchor erhielt seine farbige Verglasung erst in den Jahren 1974 - 1998, die eine ältere Verglasung aus hellem Kathedralglas ersetzte. Stets bestand das Bestreben, die Fensteröffnungen nicht nur mit Glas zu verschließen, sondern für die Verglasung bunte Scheiben zu verwenden. Die kostbaren, mittelalterlichen Glasmalereien wurden während des 2. Weltkriegs zum Schutz ausgebaut und erst 1947 wieder eingesetzt. Zudem wurden die Glasfenster zwischen 1991 und 2001 in beispielhaft Weise restauriert und schutzverglast, so dass die Scheiben heute – geschützt und farbenprächtig – der Katharinenkirche ihre einzigartige Aura aus farbigem Licht verleihen.

Im 20. Jahrhundert sind vor allem die neuen Fenster im Westchor zu erwähnen. Von Künstler Heinz Hindorf wurde 1977 das Schöpfungsfenster im Scheitel angefertigt. In das traditionelle Bildthema sind thematisch passende, moderne Szenen eingefügt. Die beiden Fenster neben der Schöpfung mit Christus und Heiligem Geist schuf 1978 der Künstler Gustl Stein. Damit fasst er die drei Fenster zu einer Darstellung des apostolischen Glaubensbekenntnisses zusammen. Ebenfalls von Hindorf stammen die Fenster aus den Folgejahren zu den Themen: Geschichte Oppenheims, Weinberg, Gleichnis sowie den Evangelisten. Das neueste Fenster im Westchor „Gerechtigkeit, Frieden, Bewahrung der Schöpfung“ von Hermann Geyer 1998 ist im Duktus kühner als die übrigen Fenster.

Zwei Kirchenfenster fallen durch ihre Gestaltung und Lage im Kirchenraum aus dem üblichen Rahmen. Zwar handelt es sich um mittelalterliche Verglasung, jedoch befinden sie sich nicht mehr an ihrem ursprünglichen Ort: Das heute im Osten der Kirche eingebaute Scheitelfenster enthält Scheiben, die 1435/1440 ursprünglich für den Westchor angefertigt worden sind. 1855-1857 wurden die Reste der Befensterung zur Sicherung in das Ostfenster versetzt. Dabei wurden sie auf das erforderliche Maß beschnitten und zu einem kompletten Fenster ergänzt. Das sogenannte „Heylsfenster“ im Nordquerhaus ist ein Kuriosum aus dem 19. Jahrhundert: Es wurde aus 33 verschiedenen mittelalterlichen Fragmenten der rheinländischen mittelalterlichen Glasmalerei zusammengesetzt. Die um 1480/1485 und 1500 entstandenen Einzelteile stammen aus der Sammlung Zwierlein, die Cornelius Freiherr von Heyl zu Herrnsheim ersteigerte und der Katharinenkirche überließ. Unter Verwendung historischer Arbeitstechniken wurden die Fragmente durch den Heidelberger Glasmaler Beiler ergänzt und 1887 eingebaut.

Da in 44 Fenstern der Katharinenkirche keine mittelalterlichen Glasscheiben mehr vorhanden waren, wurden ab dem 19. Jahrhundert neue Verglasungen angefertigt. Bei den Fenstern mit mittelalterlichen Resten ergänzte man die fehlenden Partien und beließ die Themen mit biblischen Szenen oder Wappen- und Stifterdarstellungen. 1843-1845 begann man, die Fenster in den Seitenschiffen nach den rekonstruierten Zeichnungen von Franz Hubert Müller unter Verwendung mittelalterlicher Scheiben wieder herzustellen. Alle Kapellenfenster erhielten bis 1847 neue Ornamentverglasungen. Die Chorfenster wurden 1857 nach einem Konzept von Kreisbaumeister Ernst G. Gladbach angefertigt. Bei der großen Restaurierung unter Schmidt wurden 14 Fenster in den Ostteilen ergänzt bzw. neu angefertigt. Ausgeführt wurden die Arbeiten von der Werkstatt Linnemann aus Frankfurt und Beiler aus Heidelberg. Die Bildthemen werden mit biblischen Szenen und Bildern aus der Oppenheimer Geschichte – insbesondere Luthers Leben – erweitert. In mittelalterlicher Tradition wurden alle diese Fenster von verschiedenen Personen und Institutionen gestiftet. Die Stifter sind im unteren Register der Fenster mit einer Inschrift verewigt. Das prominent liegende „Katharinenfenster“ im Südquerhaus wurde von Großherzog Ludwig IV gestiftet und von der bekannten Mayer‘schen Hofkunstanstalt aus München ausgeführt. In den dargestellten Herrscherfiguren (Richard v. Cornwall, Ruprecht von der Pfalz und andere) verknüpft der Großherzog seine eigene Herkunft mit der Geschichte der Kirche.

Schon früh erlangt die Katharinenkirche durch die Gestaltung ihrer Maßwerkfenster Berühmtheit: Bereits in seinem Überblickswerk zur mittelalterlichen Architektur aus dem Jahr 1821 hat Georg Mollers beide Rosenfenster als herausragende Baudetails der Kirche abgebildet. Diese Fenster etablieren sich in der Folgezeit als besonderes Merkmal der Oppenheimer Gotik. Das östliche Rosenfenster verdankt seine Bedeutung auch dem Umstand, dass ein großer Teil der historischen Verglasung erhalten ist. Durch die dargestellten Wappen der Stadträte von Oppenheim von 1332/33 kann das Fenster gut datiert werden. Der Oppenheimer Rat setzte sich zu dieser Zeit aus je 16 Burgmannen und Bürgern zusammen. Die Oppenheimer Rosen wurde schon im Mittelalter an anderen Bauten rezipiert: Die Form der Rosenfenster aus Oppenheim findet sich mit leichten Abwandlungen am Altarretabel in der Liebfrauenkirche Oberwesel wieder (Weihe Altar 1331). Auch am Kölner Dom wird die östliche Rose des Oppenheimer Langhauses am Petersportal der Westfassade um 1360 zitiert.

In 16 Fenstern der Katharinenkirche sind noch insgesamt 371 Scheiben mit Glasmalereien aus dem Mittelalter erhalten und bilden damit den größten an einem Bauwerk erhaltenen Bestand in ganz Rhein- und Südhessen. Die frühen Fensterverglasungen im Osten der Kirche werden 1276-1296 durch die Oppenheimer Burgmannen und vermutlich sogar durch König Rudolf von Habsburg beauftragt. Waren es in den östlichen Fenstern Adelige, treten in den Fenstern des Langhauses 1332-1350 bürgerliche Stifter auf den Plan; darunter das Stift selbst, der Stadtrat, die ortsansässigen Zünfte und auch die Oppenheimer Patrizierfamilien. Die erhaltene mittelalterliche Verglasung vermittelt einen einzigartigen Eindruck von der Qualität der Glasmalerei des 13./14. Jahrhunderts im Großraum zwischen Worms, Mainz und Frankfurt.