El siglo XVI trajo consigo la devolución del pueblo de Undués a la corona. El 19 de Noviembre de 1502, la princesa Juana, en nombre de su padre el rey Fernando, decretó deslindar a Undués de La Real, devolviéndole los privilegios de realengo con gobierno autónomo. Además se le concedieron una serie de privilegios (los mismos que los que se habían concedido a la villa de La Real en su fundación) que estarían vigentes durante varios siglos. Esta devolución de Undués a la corona hacía que la familia Alvarado perdiera sus privilegios. Por ello, comenzaron un largo pleito para recuperar los privilegios perdidos. Este pleito se dilató durante más de diez años. Fue el mismo rey Fernando quien tuvo que dictar una sentencia para resolver esta incómoda situación. Así, en 1514 el rey Fernando dictó una sentencia arbitral con la cual se dividía definitivamente el término de La Real. La sentencia estableció los límites entre Sos y Sangüesa. Además, desglosó definitivamente a Undués de La Real. Para compensar a la familia Alvarado, el rey determinó que el pueblo de Undués debía pagarles la suma de 20000 sueldos Jaqueses. El pago a los Alvarado se hizo en un acto solemne en la Iglesia del lugar, el dia 17 de Julio de 1515. Este acontecimiento quedo reflejado en un pergamino que aun hoy se conserva. Este acto podemos decir que marca el nacimiento del Undués de la edad moderna.
Durante el S. XVI se produce la adhesión del término municipal de Serramiana con Undués. En 1528 se firma un compromiso entre los infanzones y militares de Serramiana, habitantes de Undués, con los vecinos de Tiermas. Suponemos que en este documento, hoy desaparecido, se establecía la voluntad, por parte de los infanzones de Serramiana, de unir su término municipal con el de Undués y deslindarlo de Tiermas. En otro documento de 1541 se refleja precisamente esta venta. Así, la villa de Tiermas vende al concejo de Undués los términos de Serramiana por 20000 sueldos jaqueses. Fue unos cuantos años después, 1568, cuando esta incorporación de los términos municipales fue totalmente efectiva.
El siglo XVI fue también el tiempo en el que se produjo la obra de reforma del templo de la iglesia de San Martín para conferirle la estructura que tiene actualmente. Esta obra se termina en 1592 y fue realizada por el arquitecto Miguel de Recondo. Arquitectónicamente, la iglesia adquirió la planta de cruz latina que tiene ahora. Además en la primera década del S. XVI se construyó el coro presente en la parte posterior de la iglesia. Este coro se realizó en madera de pino y presenta unos canetes figurativos de gran expresividad. El retablo del altar mayor de la iglesia se realizó durante la primera mitad del S. XVII. Fue realizado por artesanos de la cercana localidad de Sangüesa. Además, en la segunda mitad S. XVII se realizó la capilla Meoz, situada en la parte del evangelio frente a la puerta principal de acceso al templo. Capilla que fue sufragada por el vecino de Undués Domingo Meoz.
Undues de Lerda 