На этом участке квартала между Кадетской линией и Тучковым переулком с 1740-х годов находилась деревянная Троицкая церковь Кабардинского полка. Позже здесь квартировались Астраханский драгунский и Кексгольмский полки. Для них на месте Троицкой церкви возвели Никольский храм, также деревянный. Особо почитаемой иконой этого храма у солдат и офицеров была икона святой Екатерины. Церковь стали часто называть именно этим именем.

В 1773 году церковь переосвятили в честь святой Екатерины. Она стала принадлежать Кексгольмскому полку. При Екатерине II храм считался оспенным , то есть здесь молились только больные оспой. Люди стали стараться обходить храм стороной, он опустел.

В 1809 году церковь святой великомученицы Екатерины сгорела. Погибла вся церковная утварь, но икону святой Екатерины удалось спасти. По городу поползли слухи: пожар был не случаен, таким образом очистилось место.

Прихожане начали собирать деньги на новый храм. В 1811 году архитектором А. А. Михайловым 2-м был составлен проект каменного церковного здания. В этом же году 26 сентября оно было заложено. Освящёние церкви святой Екатерины состоялось 24 ноября 1823 года.

Это здание стало самой заметной работой А. А. Михайлова 2-го. Оно выделяется среди других построек Васильевского острова, купол церкви виден далеко за его пределами. Купол был украшен фигурой ангела с крестом. Со стороны Кадетской линии находился главный вход в церковь. Он был отмечен восьмиколонным портиком.

Основными прихожанами церкви святой великомученницы Екатерины были рабочие биржи и порта, располагавшийся рядом - на стрелке Васильевского острова.

В 1861 году со стороны Кадетской линии состоялась закладка колокольни. При её сооружении был разобран находящийся здесь портик. Проект колокольни составили архитекторы Л. Л. Бонштедт и В. А. Болотов. В процессе строительства по стенам пошли трещины, проект был переработан. При этой переработке были спроектированы часовня, сторожка, трапезная и ограда с воротами. Строительство колокольни было завершено в 1863 году. Её высота - 58 метров, она стала самым высоким архитектурным сооружением на Васильевском острове.

Центральный иконостас церкви святой великомученицы Екатерины выполнен по проекту А. А. Михайлова 2-го. Для него писали иконы К. Брюллов, Г. Угрюмов, Ф. Брюлло. Скульптурное убранство создавал В. Демут-Малиновский.

После 1917 года церковь была занята общиной одной из ветвей православного христианства - раскольниками-обновленцами. В 1936 году церковь была закрыта. Её здание заняли склады и производственные помещения завода Станкоприбор . С 1950х годов здесь работала лаборатория Всесоюзного нефтяного геологоразведочного института. В связи с работой этих организаций здание было полностью перепланировано.

В советское время деревянный ангел на куполе церкви обветшал и лишился своего креста. Фигура без креста среди петербуржцев стала именоваться пионером , за продолжающую взмывать вверх руку. Фигура была выкрашена в чёрный цвет, отчего её стали также называть чёрным ангелом . В настоящее время она находится на реставрации.

В 1996 году здание возвращено церкви. Церковь святой великомученицы Екатерины открыта ежедневно с 9:00 до 19:00.