Die Gegend um Mauchenheim, die durch den im Süden sich erhebenden Donnersberg und die bei Orbis entspringende Selz und ihr Tal gekennzeichnet ist, war schon vor Christi Geburt besiedelt. Das bezeugen Funde aus der Jungsteinzeit (4000 bis 1800 v. Chr.) und der Urnenfelderkultur (1500 – 800 v. Chr.). Darunter befindet sich als besonders schönes Stück ein Kupferdolch, der im Historischen Museum der Pfalz (Speyer) aufbewahrt wird. Auch die Römer ließen sich hier nieder. An Hand von Luftaufnahmen konnten Archäologen vier Gutshöfe (villa rustic) erkennen.
Im 5. Jahrhundert n. Chr. zerfiel das Römische Reich und die Franken übernahmen die Herrschaft. Sie siedelten vornehmlich im ländlichen Raum. Aus ihren Gehöften entstand die Mehrzahl der heutigen Dörfer, deren fränkischen Ursprung man an der Endung „-heim“ erkennt. Der Name „Mauchenheim“ leitet sich wahrscheinlich von einem ähnlich klingenden Eigennamen wie Mauco oder Maviko aus dieser fränkischen Gründungszeit ab. Erstmals urkundlich erwähnt wird das Dorf als „Mauchenheim“ am 8. Juli 867 in den Wormser Überlieferungen.
Im 12. Jahrhundert wird erstmals ein „Mainhardus von Mauchenheim“ in einer Urkunde der Herren von Bolanden erwähnt. Er könnte bereits zu der heute noch bestehenden Adelsfamilie von Mauchenheim gehört haben. Diese nannte sich ab Wilhelm von Mauchenheim (1389 – 1426) mit dem Zusatznamen „genannt Bechtolsheim“. Dort gehörte sie zur Ganerbschaft. Nach dem Zerfall des Wormsgaus im frühen 12. Jahrhundert wurde die Herrschaft von Mauchenheim geteilt. Der Süden fiel an die Herren von Bolanden, der Norden an die Pfalzgrafen (später „Kurpfalz“). Nach dem Aussterben der Herren von Bolanden fiel deren Hälfte an die Grafen von Sponheim. Nachdem auch dieses Geschlecht 1393 erloschen war, kamen die Grafen von Nassau – Saarbrücken in Besitz dieser Dorfhälfte. Sie traten ihren Besitz am 14. Januar an die Kurpfalz ab. Somit gehörte das gesamte Dorf zum kurpfälzischen Oberamt Alzey.
Dass die Mauchenheimer Kirche eine frühe Gründung war, lässt sich vermuten, weil sie dem Remigius (437/440 – 533) war, Bischof von Reims und taufte den Begründer der fränkischen Merowingerdynastie Chlodwig. Im 13. Jahrhundert lag das Patronat der Kirche zunächst bei den Raugrafen und wechselte später zum Kloster Sion. Der spätgotische Chor der heute evangelischen Kirche – ab 1562 gab es reformierte Prediger in der Pfalz; die Kirche selbst fiel 1705 bei der Pfälzer Kirchenteilung an die Reformierten – weist auf einen Kirchenbau von 1528. Zwischen 1730 und 1752 wurde ein barockes Schiff angebaut. Im Gehäuse der Stummorgel von 1778 sind Reste eines geschnitzten Chorgestuhls von Erhard Falkener (um 1500) verarbeitet. Von Falkener stammt auch das schöne Gestühl in der spätgotischen Kirche von Bechtolsheim.
In der Mauchenheimer Gemarkung sind zwei Zisterzienerinnenklöster belegt. Das Kloster Paradeis bestand von 1296 bis 1418, das Kloster Sion von 1247 bis 1566. Sion war auch Grablege der Herren von Löwenstein. Als Schirmherren fungierte die Alzeyer Truchsessen, später die Raugrafen. Die geistliche Aufsicht hatte ab 1265 das Rheingauer Kloster Eberbach inne. Das Nonnenkloster verfügte über umfangreichen Grundbesitz in der gesamten Umgebung. Nach der Auflösung von Sion durch Kurfürst Friedrich III. entstand in den Klosteranlagen ein Hofgut, das bis 1800 bestand. Noch vorhandene Mauerreste wurden mittlerweile restauriert und zu einer Freizeitanlage ausgebaut.
Im Mittelalter sprach in Mauchenheim ein Dorfgericht aus sieben Schöffen Recht. Das Hochgericht befand sich in Kirchheim. Die in einem Weistum zusammengefassten Ortsrechte sind nicht schriftlich überliefert, aber wahrscheinlich geht der 1577 mit den Grafen von Nassau – Saarbrücken geschlossene und heute noch gültige Vertrag über Holzrechte am Donnersberg darauf zurück.
In der Zeit des 30-jährigen Krieges erlebte Mauchenheim eine schlimme Zeit. Dreimal wütete nachweislich die Pest im Dorf. Im Jahre 1624 starben 34 Personen, 1625 waren es 48 und 1666 sogar 67 Tote. Die Kirchenbücher verzeichnen ab 1660 eine starke Einwanderung aus dem Niederrheinischen. Die Entvölkerung im 17. Jahrhunderts zeigt sich auch an den von ihren Einwohnern verlassenen Dörfern Annenfeld, Steinhausen und Braunhausen, die als Wüstungen in der Gemarkung Richtung Orbis verzeichnet sind. 1785 lebten in Mauchenheim wieder 98 Familien mit 485 Personen. Es gab 69 Häuser, die Kirche und eine Schule.
Von 1795 bis 1814 gehörte das Dorf zum Departement Mont-Tonnere (Donnersberg) und somit zum napoleonischen Frankreich. Im Rahmen der Neuordnung Deutschlands auf dem Wiener Kongress (1814/15) fiel Mauchenheim als nördliches Grenzdorf an die bayrische Rheinpfalz. Aus dieser Zeit rühren die Grenzsteine an der Gemarkungsgrenze zu Offenheim mit den Aufschriften K.B. (Königreich Bayern) und G.H. (Großherzogtum Hessen).
1838 wurde eine neue Schule gebaut. Die demokratische Revolution von 1848/49 fand auch in Mauchenheim zahlreiche Anhänger und führte auch zur Gründung einer Bürgerwehr. Den Veteranen des deutsch-französischen Krieges von 1870/71 wurde ein Denkmal auf dem Freien Platz gestiftet. 1876 gründete sich der Männergesangverein. Im Jahr 1900 wurde die erste Wasserleitung verlegt und 1904 kam das erste Telefon. 1921 bekam die Gemeinde elektrisches Licht. 1958 hatte Mauchenheim 852 Einwohner. 1963 wurde ein Schulneubau errichtet.
Im Zug der Verwaltungsreform von 1968 kam Mauchenheim zum Landkreis Alzey-Worms und damit zu Rheinhessen. Zu diesem Zeitpunkt hatte das Dorf bereits 910 Einwohner. Mit beachtlichen Eigenleistungen wurde 1983 das Bürgerhaus (Mühlwiesenhalle) gebaut. 1992 errichtete man auf dem Friedhof eine neue Aussegnungshalle, 1994 folgte der Kindergarten. Derzeit beschäftigt man sich vor allem mit Maßnahmen der Dorferneuerung. Die Einwohnerzahl liegt bei 993 (Stand vom 31.12.2017).