Ein 1532 gemaltes Fresko im Chor, das Stifterbild des Ulmer Meisters Martin Schaffner, wird 1673 übertüncht, aber vorher getreu in Öl auf Leinwand übertragen. In einer illusionistisch gemalten, geöffneten Renaissance-Arkade ist die Stiftung des Klosters Wettenhausen gemäss der Klosterüberlieferung dargestellt.

Als 1670 Propst Dionysius von Rehlingen ein halbes Jahrhundert nach der letzten Erneuerungsphase den Vorarlberger Michael Thumb als Baumeister verpflichtet, besteht die Stiftskirche aus dem Langhaus des 12. Jahrhunderts, wahrscheinlich von basilikalem Querschnitt, und aus dem neuen, höheren Chor von 1523. Das Schiff wird auch als Laienkirche benutzt.

Thumb fügt an den bestehenden Chor ein beeindruckendes Langhaus an. Es ist ein Tonnensaal mit ausladenden quertonnengewölbten Mittelquerarmen. Die durchgezogene hohe Tonne verwischt den Eindruck der mittebetonten Kreuzform, wie sie sich im Grundriss oder im Aussenbau abliest. Diese einfache Saallösung, die den Gewölbeschub durch die Querarme aufnimmt, wiederholt sich in späteren Bauten, vor allem bei Valerian Brenner.

Valerian Brenner dürfte auch der in Wettenhausen tätige Palier sein. Auch die Aussenfassaden sind von hoher architektonischer Qualität. Schweif- und Volutengiebel zeichnen Querhaus und Westfassade aus. Der dreigeschossige Giebel der Westfassade ist zudem mit Figurennischen versehen. Diese der deutschen Spätrenaissance verpflichtete Giebellösung wird hier von Thumb wieder angewendet. Sie ist schon im Südgiebel des Ostflügels von 1617 vorhanden, vielleicht spielt auch der Eindruck der Augsburger Bauten von Elias Holl und Joseph Heintz ein Rolle.

Bedeutenden Anteil an der Raumwirkung haben die reichen Stuckaturen an Gewölben und Wänden. Kannelierte Pilaster mit phantasievollen Gesimsen und Fensterarchitekturen mit Sprenggiebeln, im Chor durch Kartuschenstuck überhöht, prägen die Wandflächen. Blattschnüre akzentuieren die Stichkappengräte der Gewölbe. Engelsplastiken verbinden die Stäbe mit den Gewölbespiegeln, diese wiederum sind mit Rollwerk  und Kartuschen bereichert. Kartuschenrahmen in den Stichkappenfeldern setzen weitere Akzente.

Auffallend ist die sehr gezähmte Verwendung des Akanthus. Die Meister sind Wessobrunner. Sie erstellen die Stuckaturen vor der Orgelinstallation 1679 und damit zeitgleich mit denjenigen im Kreuzgang, von denen sie sich nur wenig  unterscheiden. Der dort vermutete Matthias Schmuzer II, ein Bruder des berühmten Johann Schmuzer, könnte deshalb auch in der Kirche gewirkt haben. Aber erst 1685 werden mit den in Wettenhausen sesshaft gewordenen Christoph Gigl und Georg Vogel I wieder Namen von Wessobrunner Stuckateuren genannt.

Vielleicht ist Michael Thumb für die Pilaster- und Fensterarchitektur selbst mitplanend tätig. Für den Deckenstuck könnte nebst Propst Dionysius auch der unbekannte Entwerfer der Emblemrahmungen im «Mundus Symbolicus» des Wettenhausener Chorherrn Augustin Erath Anregungen geliefert haben.

In die Gewölbespiegel und in die Stichkappen-Kartuschen malt der Augsburger Johann Georg Knappich Deckenbilder, drei kleinere im Chor, drei Medaillons am Chorbogen, vier größere Deckengemälde im Schiff und unter der Empore, sowie sechs Kartuschen-Medaillons in den Stichkappen. Sie werden als Fresken bezeichnet, müssten damit zusammen mit den Stuckarbeiten um 1679 entstanden sein und würden so einen den frühesten Freskenzyklus eines deutschen Malers darstellen.

Ob allerdings Knappich in der sicheren und haltbaren Technik des «al fresco» in den frischen Putz malt, oder ob er wie die Embleme im Kreuzgang in Kaseinfarben «al secco» arbeitet, ist unbekannt. Denn die Gemälde werden 1892, nun mit Sicherheit in Kaseinfarben-Technik, stark überarbeitet.Auch das Hochaltarblatt der himmelfahrenden Maria stammt von Knappich. Es ist eines der ersten gesicherten Werke des Augsburger Malers und weist in Komposition und Farbe schon in den Spätbarock. Die Seitenaltarblätter, zwischen 1680 und 1685 gefertigt, sind Werke des ebenso berühmten Augsburger Malers Johann Heiss, während das Blatt des nördlichen Querhausaltars 1694 von Matthias Pusjäger gemalt wird.

Auch die Altäre sind nach Entwürfen von Knappich gefertigt. Ihr prunkvoll vergoldeter bildhauerische Dekor kann aber die Schwächen der steifen, nach frühbarocken Vorbildern gefertigten Schreinerarchitektur nicht verbergen. Dies gilt nicht für den kostbaren Retabel des südlichen Querhausaltars. Er lebt von der Bildhauerarbeit der hier wieder eingesetzten Marienkrönung aus dem Mittelteil des Wandelaltars von 1524.

Weitere, nun wirklich hochbarocke Bildhauerarbeiten sind die Kanzel, der Orgelprospekt, das Emporengitter, und das Kirchen- und Chorgestühl. Es sind alles hervorragende Werke des Holzbildhauers und Kunstschreiners Ferdinand Zech. Er erstellt vorgängig auch die Schreinerarbeiten in der Sakristei. Das Chorgestühl, eine noch reichere Arbeit als die beiden intakt verbliebenen Stallengestühle in den Abseiten, ist im 19. Jahrhundert verstümmelt worden.

Die Kanzel ist ein besonderes Meisterwerk der hochbarocken Bildhauerkunst, sicher nicht 1670, sondern wie alle Kunstschreinerarbeiten in Wettenhausen zwischen 1677 und der Einweihung 1687 entstanden.

Der vergoldete Orgelprospekt, mit 1679 datiert, und die gleichzeitig erstellten Brüstungsgitter sind ebenfalls Arbeiten von Ferdinand Zech. Die Orgel ist in der 1678 erschienenen Erstausgabe der Übersetzung des Werkes «Mundus symbolicus» bereits abgebildet. Dies führt auch zur Frage, ob der unbekannte Entwerfer der dort gedruckten Darstellungen nicht sogar auch für Entwürfe der Holzbildhauerarbeiten und des Orgelprospektes in Frage kommt. Das barocke Werk der Orgel, ursprünglich vom Orgelbauer Paul Prescher aus Nördlingen geliefert, wird 1901 durch ein neues romantisches Orgelwerk mit 21 Registern ersetzt.

Irritierend an der Emporenbrüstung ist das noch hochbarocke Wappen des Propstes Augustin Bauhof, der 1755−1776 regiert und dem die Stiftskirche nur die Rokoko-Beichtstühle zu verdanken hat. Das fast ungezügelte Spiel mit der Rocaille in den schwungvollen Naturholzgehäusen, hochstehende Werke eines unbekannten Meisters, wird mit eingelegten dreipassförmigen Ölbildern noch gesteigert. Die Bilder mit Kreuzwegstationen und Marienszenen stammen wahrscheinlich von Johann Baptist Enderle.

Die Kirche erhält zur Zeit des Propstes Ulrich Hieber auch eine sehr wertvolle Ausstattung an der Wende der Spätgotik zur Renaissance. Vor allem von zwei hervorragenden Ulmer Meistern um 1520, dem Maler Martin Schaffner und dem Bildhauer Niklaus Weckmann, sind Werke bis heute erhalten. Wertvoll sind die Teile ihres Hochaltars von 1524.

Das plastische Mittelstück des mehrflügeligen Wandelaltars, eine Marienkrönung, wird um 1685 im barocken südlichen Querhausaltar wieder eingebaut. Die vier bemalten Flügel von Martin Schaffner kommen nach der Säkularisation in die Alte Pinakothek in München, wo sie heute im halbgeschlossenen Sonntagszustand zu bewundern sind.

Nach dieser ersten Bauphase im frühen 16. Jahrhundert folgt eine zweite Erneuerung der Klosteranlage unter Probst Jakob Flexlin. 1606−1617 baut er den Ostflügel, nun viergeschossig, als grosszügigen Umbau mit zwei Fassadentürmen, dem nordwärts gelegenen Treppenhausturm und einem südlichen Eckturm, dem heutigen Mittelturm. Auch der Südflügel erhält ein viertes Stockwerk und der nur zweigeschossige Westflügel wird mit dem «Musaeum», dem Studiersaal im Obergeschoss, neu erstellt.

Im Innern lässt er die Decken von den Wessobrunner Stuckateuren Christoph und Jörg Schmuzer stuckieren. Der Quadratur- und Felderstuck ist im Kapitelsaal, im Osttreppenhaus und im ehemaligen Musaeum noch erhalten. Mit der Datierung 1617 dürften sie die frühesten erhaltenen Wessobrunner Stuckdecken sein. Der Kirchturm erhält 1612 anstelle der gotischen Glockenstube mit Spitzhelm einen Oktogonaufsatz mit Zwiebelhaube.