Pirmoji bažnyčia Pavandenėje buvo pastatyta 17 a. pradžioje, dėka F. B. Okmianskio fundacijos. Nors senosios bažnyčios išvaizda nėra gerai žinoma, manoma, kad ji mažai pakitusi stovėjo iki 19 a. pradžios, kai, dėl avarinės būklės, buvo atliktas jos perstatymas. Šiuos darbus inicijavo tuo metu Pavandenėje tarnavęs klebonas Pranciškus Gailevičius, o reikalingus išteklius suteikė ne tik vietiniai parapijiečiai, bet ir Žemaičių stalininkas Antanas Gedgaudas. Perstatant bažnyčią buvo paliktos senosios sienos iki langų, kas rodo, jog bažnyčios planas buvo išsaugotas. Tvarkybos darbai buvo baigti 1802 m., tačiau jau 1820 m. reikėjo remontuoti stogą. To meto vizitaciniame akte rašoma, kad bažnyčios didysis altorius buvo skirtas Šv. Onai, todėl bažnyčiai buvo suteiktas Šv. Onos vardas. Vėlesni dideli pertvarkymo darbai vyko 1912–1913 m., kai pastatas įgavo dabartinį vaizdą.
Šiuo metu Pavandenės maldos namai yra kompaktiško tūrio, stačiakampio plano ir dvišlaičiu stogu dengti. Bažnyčią išsiskiria siaura penkiasiene presbiterija su platesniu trišlaičiu stogu, kuris suformuoja įdubas. Pagrindinis bažnyčios akcentas – masyvus bokštas, iškeltas virš pagrindinio fasado frontono. Dviejų tarpsnių aštuonkampis bokštas, su įmantriu šalmu, užbaigtas kaltiniu kryžiumi ir
vėtrunge vaizduojančia trimituojantį angelą, buvo pridėtas per 1912 m. rekonstrukciją, kai senieji bokštai buvo nugriauti. Pagrindinis fasadas turi klasicistinės architektūros bruožų – aukštą frontoną atskirtą stoginėliu puošia klasicistiniai stačiakampiai langai su sandrikais. Bažnyčia pastatyta ant žemo akmens mūro pamato ir apkalta vertikaliomis lentelėmis, o pastato vertikalumą pabrėžia lygiagrečios sienojų sąvaržų poros.
Interjeras yra halinio tipo, trinavė, vidaus erdvę skaido lėkštos arkos sujungtos stulpais su aukštais pjedestalais. Pagrindinė dalis nuo prienavio atskirta medine siena, o virš prienavio įrengta patalpa chorui su vargonais. Interjere vyrauja šviesūs melsvi ir gelsvi atspalviai, o įrengti 5 neobarokiniai altoriai.
Šventorius, netaisyklingo ovalo formos, yra aptvertas neaukšta akmens mūro tvora. 1974 m. buvo pastatyti trijų dalių mūriniai arkiniai vartai su keturkampiais bokšteliais. Šventoriuje taip pat yra 14 mūrinių kryžiaus kelio koplytėlių, pastatytų ant betoninio cokolio ir užbaigtų keturšlaičiais stogeliais su kalvio darbo saulutėmis. Bažnyčios varpinė yra medinė, aštuonkampė, pastatyta ant neaukšto akmens mūro pamato su prieangiu, o stogas dengtas skarda. Netoli bažnyčios stovi medinis sandėlis su keturių kolonų portiku.