Церковь была заложена в 1811 году по проекту профессора Императорской Академии Художеств А. А. Михайлова, участвовавшего в возведении Исаакиевского собора. В 1863 году была построена колокольня и часовня, куда поместили образ Святой Екатерины. Тогда же на купол был установлен серебряный Ангел на шаре, один из трех Ангелов, по легенде хранящих город на Неве. Другие два Ангела, золотой и серебряный, парят над Петропавловской крепостью и над Александровской колонной, образуя незримый треугольник, соединяющий в духовное целое Васильевский остров, Центральную часть города и Петроградскую сторону.

В связи с известными историческими событиями, до 1996 года в здании храма располагалась лаборатория Гидрологического института, затем лаборатория Геологоразведочного института. Внутреннее пространство очень пострадало. Основная часть храма все еще закрыта на реставрацию.

Сейчас завершена большая часть работ по восстановлению исторической конструктивной схемы и объемно-планировочной структуры храма, благодаря чему открылась оригинальная настенная роспись площадью 1500 м². Без сомнений, по завершении реставрационных работ этот столь значимый для Петербурга храм не оставит равнодушными не только верующих, но и ценителей классической архитектуры, ведь изначальный облик церкви Святой Великомученицы Екатерины ни в чем не уступает по красоте самым роскошным соборам Европы и мира.