E' dedicata a Santa Caterina d'Alessandria, che secondo la leggenda subì il martirio all'inizio del IV secolo sotto l'imperatore romano Massenzio.
Questa chiesa non va confusa con l'altra dedicata a Santa Caterina e detta "del corso" perché ubicata, appunto, lungo il Corso Garibaldi.

Un tempo l'edificio apparteneva alla confraternita di S. Caterina del Gonfalone, esistente già nel XIV -XV secolo e dedita all'assistenza e all'educazione delle trovatelle (le bastarde) della Massa Trabaria. Diversamente, agli esposti di sesso maschile provvedeva la Confraternita di S. Maria.

L'ingresso principale dell'edificio è prospiciente su Via Maremma, dove sorgeva anche l'antico Palazzo dei signori Brancaleoni, ed è dotato di un portale in pietra serena in stile gotico, sul quale sembra si possa leggere la data 1402.
Sull'ingresso secondario, con un portale in pietra serena e arco a tutto sesto di ispirazione barocca, è scolpita l'immagine della Santa. Su entrambi i portali trovano posto i simboli del suo martirio: la ruota provvista di punte che Caterina distrusse e la spada che la decapitò.

L'interno dell'edificio è a una sola navata con copertura a botte che si appoggia su un cornicione recante un'iscrizione in caratteri gotici dedicata alla Santa. Un ampio lucernario dà luce a tutto il presbiterio.
Le pareti laterali sono completamente ornate di stucchi, probabilmente opera del plasticatore e decoratore Tommaso Amantini da Casteldurante (1625 – 1676).
Nella parte superiore delle pareti dieci cornici rettangolari fanno da ornamento ad altrettante tele dedicate alla Vita della Santa di autore ignoto (si fa il nome di Angelo Braganti, nato a S. Angelo in Vado nel 1581 e figlio di Maestro Giovanni pittore e di Virginia Nardini); altre due cornici sono ai lati dell'altare maggiore.
Nella parte inferiore trovano posto quattordici nicchie, di cui otto ospitano le statue dei quattro dottori della Chiesa (S. Girolamo, S. Agostino, S. Ambrogio e S. Gregorio Magno) e delle quattro virtù cardinali (Giustizia, Fortezza, Temperanza e Prudenza), delle quali un restauro recente ha rimesso in luce la straordinaria policromia. La tipologia delle statue rimanda al noto plasticatore durantino Tommaso Amantini (seconda metà del Seicento).

Nel presbiterio altre nicchie conservano le statue in stucco di S. Michele Arcangelo e S. Giovanni Battista.

Una pregevole statua in legno raffigura S. Sebastiano. Degni di menzione la cantoria e l'organo, del 1776.
Rappresenta la Decapitazione di S. Caterina una tela del pittore Raffaello Schiaminossi di Sansepolcro (secolo XVI), realizzata per l'altare maggiore.

Nell'altare a cornu epistolae (cioè a destra dell'altare maggiore) trova posto una tela raffigurante L'Assunzione di Maria Vergine, S. Antonio da Padova (o, secondo l'ipotesi comunque meno accreditata, S. Bonaventura) e S. Gaetano, attribuita da Mons. Fabretti, vescovo di S. Angelo in Vado e Urbania in visita pastorale nel 1737 a Gianandrea Carloni detto il Genovese (1590-1630).