La chiesa di Santa Caterina si caratterizza per le sue forme rinascimentali, che richiamano le opere ben più note del Brunelleschi e del Bramante. La sua pianta è ottagonale e nella sua parte inferiore tradisce l'incompiutezza dell'edificio, la cui realizzata è stata piuttosto travagliata. La sua struttura è anche un rimando alle tondeggianti costruzioni classiche.

Il progetto iniziale della chiesa di Santa Caterina è dell'architetto Giovanni Del Fantasia, che avvia i lavori nel 1720. Tuttavia nel corso degli anni si succedono vicende che vedono cambiare spesso la direzione. Dopo l'abbandono del suo primo progettista, si sono alternati alla guida della costruzione Alessandro Saller nel 1729, Giovanni Masini nel 1739 e l'architetto Ruggieri nel 1746. La lanterna posta sulla sommità della cupola risale invece al 1869, realizzata da Dario Giacomelli.
All'interno della chiesa si possono ammirare un dipinto del Vasari e gli affreschi settecenteschi del Terreni e del Traballesi. La tela del Vasari è posta dietro l'altare maggiore e rappresenta l'Incoronazione della Vergine. Sopra di essa campeggia il "Padre Eterno in Gloria", realizzato dal Traballesi nel 1758. I lavori del Terreni sono invece nella cappella della Madonna del Rosario, dove si può ammirare anche un presepe ligneo di Cesare Tarrini.
A partire dal XVIII secolo si è affiancato alla chiesa un convento dei frati domenicani, finito di realizzare nel 1710. L'ordine è stato soppresso per ben due volte nel 1785 e nel 1808, in seguito all'editto napoleonico con il quale si dispone lo scioglimento di tutte le congregazioni religiose. Nel periodo di occupazione francese, prima che il Granduca lo restituisse ai domenicani nel 1817, il monastero è stato adibito a carcere.