Onsbjerg Kirke er øens ældste kirke idet dele af kirken stammer fra 1100-tallet. Det meste af kirken idag er dog opført i 1400-tallet, tårnet er først bygget i 1525.
Kirkens fornemste seværdighed, et lille romansk guldkrucifiks fra omkring år 1200, har givet kirken tilnavnet Hellig Kors Kirke. Korset er 27 cm højt og er placeret på en tavle i skibet ( kopi - det originale kors findes på Nationalmuseet )
Altertavlen er fra 1596. Den er i højrenæssance og viser Jesus overvinde død og djævle. Den er tydeligvis inspireret af altertavlen i Besser Kirke, der på den tid indgik i det samme sogn som Onsbjerg.
Prædikestolen er fra 1610-25 og er i samme stilart som alteret og udstyret med sin oprindelige himmel. Den blev restaureret i 1935.
I kirken ses adskillige epitafier opsat af Samsøs rige skipperbønder. En af dem viser Kong Neptun med sin trefork. Den er opsat af en far, som mistede tre sønner på havet på deres vej til Norge.
Kirkeklokken er Samsøs ældste. Den har inskriptionen " Af ilden er jeg udflydt, Felix Fuchs har støbt mig i København i 1628 ".
Kirkeskibet er en tremastet skonnert fra 1937.