Этот участок земли получила петербургская католическая община в 1738 году по указу Анны Иоанновны. Появление этой общины на Невском проспекте связано ещё с желанием Петра I разместить на главной улице города церкви разных конфессий, привлечь в город людей разной веры. Здесь сразу построили временный деревянный молитвенный дом.

В 1739 году П. А. Трезини был составлен первый проект каменного католического собора, но реализован он не был. Из этого проекта сохранился приём соединения двух церковных домов с собором арками. Трёхэтажные церковные дома по красной линии проспекта были построены в 1751-1753 годах по проекту Антонио Ринальди. В нижнем этаже проходили открытые аркады.

В 1763-1783 годах по проектам Ж. Б. Валлен-Деламота и Антонио Ринальди построен костёл святой Екатерины. Сегодня это самый большой и самый старший из всех католических храмов в России. Освятили церковь 7 октября 1783 года. Назвали её в честь Святой Екатерины Александрийской, мученицы, покровительницы Екатерины II.

В конце XVIII - начале XIX века нижние открытые галереи занимали Нюрнбергские лавки , здесь торговали немецкие купцы книгами, игрушками, галантереей.

В 1798 году в храме был захоронен последний польский король Станислав Август Понятовский, который провёл в Санкт-Петербурге свои последние годы жизни. В 1813 году здесь был похоронен французский генерал Жан Виктор Моро. В 1829 году здесь венчался архитектор О. Монферран. В январе 1837 года в храме состоялась свадьба Ж. Дантеса и Е. Гончаровой - сестры супруги А. С. Пушкина. В 1858 году здесь отпевали О. Монферрана, тогда же здесь перезахоронили привезённые из Парижа останки польского короля Станислава Лещинского.

В 1894-1895 годах дома при соборе достроили до пяти этажей.

После революции церковь закрыли, использовали как склад. Затем здесь открыли филиал Ленинградской филармонии. В 1922 году в Польшу перенесли останки Станислава Лещинского, а в 1938 году - останки Станислава Августа Понятовского.

В 1992 году храм был открыт для прихожан. Здесь открылась воскресная школа, здание отреставрировано. Открытие церкви состоялось 11 мая 2003 года.