Kościół św. Katarzyny Aleksandryjskiej nie był wprawdzie pierwszą historycznie świątynią katolicką w stolicy imperium, jednakże jego położenie i historia, począwszy od momentu konsekracji w roku 1783, sprawiły, że stał się on kościołem-matką dla katolików w Rosji. Budynek, który można oglądać dzisiaj, jest oryginalną, wczesno-klasycystyczną budowlą wykonaną zgodnie z przebogatym projektem J.-B. Vallin de la Mothe. Jego powstaniu sprzyjał fakt, iż car Piotr I życzył sobie, by chrześcijanie wszystkich wyznań mieszkający w Sankt Petersburgu, posiadali swoje świątynie. W roku 1710 car uczestniczył w roli ojca chrzestnego w pierwszym obrzędzie sakramentu chrztu sprawowanym w parafii, która z czasem przyjęła za patronkę św. Katarzynę z Aleksandrii. Jako oficjalną datę założenia parafii można przyjąć rok 1716.
W roku 1938 kościół ostatecznie zamknięto. Budynek został ograbiony. Urządzono w nim początkowo Muzeum Etnograficzne, później zaś magazyny. W roku 1968 władze sowieckie zdecydowały, by pomieszczenia kościoła używać jako dodatkowej sali koncertowej Filharmonii Leningradzkiej; w takim też celu rozpoczęto prace restauracyjne. Wewnątrz budynku wzniesiono całą sieć drewnianych rusztowań. W roku 1984, kiedy restauracja kościoła dobiegała końca, doszło do tragicznego wydarzenia: trzech chłopców — jak głosi oficjalna wersja — rozpaliło ognisko pośród rusztowań i wywołało pożar. Do rana wnętrze kościoła uległo całkowitemu zniszczeniu, opadły tynki, popękały ściany.
modlitwy» — jak głosi znajdująca się nad portalem inskrypcja. Wymownym znakiem takiego zmartwychwstania może być gipsowo-drewniany krucyfiks, który znajduje się za ołtarzem w pomieszczeniu byłej zakrystii. Kiedy w roku 1938 zamykano kościół, krucyfiks ten wyrzucono z wnętrza świątyni na ulicę; szesnastoletnia dziewczyna ryzykując życiem zabrała go do domu, a następnie przekazała do jedynego czynnego wówczas kościoła — Matki Bożej z Lourdes. W roku 1992 krucyfiks powrócił do Kościoła św. Katarzyny. Restauracja wnętrza świątyni rozpoczęła się od Kaplicy Zwiastowania, która, poświęcona w październiku 1998 roku, otrzymała tytuł Matki Bożej Fatimskiej i została przeznaczona na Fatimskie Sanktuarium dla Rosji. W Roku Jubileuszowym zaś, w Niedzielę Palmową (16.04.2000) nastąpiło otwarcie i poświecenie prezbiterium kościoła, w którym obecnie sprawowane są nabożeństwa w niedziele i ważniejsze święta. Warto jeszcze podkreślić, iż w podziemnej krypcie kościoła przez 140 lat (1798–1938) spoczywały doczesne szczątki ostatniego króla Polski Stanisława Augusta Poniatowskiego, który ostatni rok swego życia spędził w Petersburgu. Do tejże samej krypty złożono (1858–1922) ocalałą część szczątków (przywiezioną z Francji) innego polskiego króla — Stanisława Leszczyńskiego. Po dziś dzień w podziemiach świątyni znajduje się grób francuskiego generała Jeana Victora Moreau (1763-1813), który początkowo służył w armii Napoleona, a potem przeszedł na stronę
rosyjską. W kościele św. Katarzyny modlił się św. Rafał Kalinowski w czasie swoich studiów na Akademii Inżynierii Wojskowej (1855–59); tutaj też w latach 1907–1911 prowadziła internat dla dziewcząt bł. Urszula Ledóchowska.


