Красуйся, град Петров,
И стой неколебимо, как Россия!
Александр Сергеевич Пушкин
Католический приход святой Екатерины Александрийской был основан в 1716 году; в 1738 году императрица Анна Иоанновна подписала разрешение на возведение католической церкви на Невской першпективе. Первоначальный проект был разработан Пьетро Антонио Трезини. В 60-х годах XVIII века храм достраивал Жан-Батист Валлен Деламот. Строительство храма было закончено архитектором Антонио Ринальди, который был старостой общины. 7 октября 1783 года храм, получивший статус собора, был освящён в честь святой Екатерины Александрийской, покровительницы императрицы Екатерины II.
Храм святой Екатерины связан с именами многих выдающихся личностей. В 1798 году здесь был похоронен Станислав Август Понятовский. Прихожанином храма был Огюст Монферран. Также прихожанами храма был ряд российских дворян, перешедших в католицизм: княгиня Зинаида Александровна Волконская, Михаил Сергеевич Лунин, князь Иван Сергеевич Гагарин и другие.
После революции храм оставался открытым вплоть до 1938 года; в это время он был единственным католическим храмом в Ленинграде. После закрытия храма он был разграблен. Разорение храма довершил пожар в 1947 году. Позже здание храма использовалось как склад. В 1977 году начались реставрационные работы для преобразования храма в органный зал, но в феврале 1984 года в здании вспыхнул сильнейший пожар. С 1992 года начались масштабные работы по восстановлению храма.
Здание имеет форму латинского креста, с трансептом и увенчано большим куполом. Длина здания храма — 44 метра, ширина — 25 метров, высота — 42 метра. Храм вмещает одновременно около двух тысяч человек. Главный фасад здания решён в виде монументального арочного портала, который опирается на свободно стоящие колонны. Над фасадом высокий парапет, на котором размещены фигуры четырёх евангелистов и ангелов, держащих крест. Над главным входом по латыни начертаны слова из Евангелия от Матфея: «Дом Мой домом молитвы наречётся» и дата завершения строительства собора.