La chiesa, dedicata a S. Caterina d’Alessandria, fu costruita agli inizi del XIII secolo, ma è con la concessione ai Dominicani (1222) che venne realizzata la struttura attualmente visibile e il convento annesso. La struttura a capanna con aula unica, terminata probabilmente intorno alla metà del XIII secolo, risponde all’esigenza di avere un ampio spazio dedicato soprattutto alla predicazione, oltre che alle liturgie e alle sepolture. La navata unica, coperta da capriate si incrocia con un transetto “a T” sul quale si affacciano quattro cappelle voltate con archi a crociera.
La facciata, terminata nella prima metà del XIV secolo, è decorata con marmi bianchi di S. Giuliano scanditi su fasce bicrome bianco-grigie, che sviluppano il tema decorativo della Cattedrale in chiave gotica, unendo gli archi a tutto sesto del primo ordine agli archetti trilobati degli ordini superiori, sorretti da colonnine con capitelli e protomi umane. Altorilievi con busti di santi incorniciano un grande rosone centrale. Il campanile in cotto è attribuito a Giovanni di Simone, autore anche di quello di S. Francesco e del Camposanto Monumentale. L’interno, ricostruito nel 1650 in seguito ad un incendio, conserva tra le altre opere il monumento sepolcrale dell’arcivescovo Saltarelli, opera di Andrea e Nino Pisano, la grande pala d’altare con il Trionfo di S. Tommaso dipinta probabilmente da Lippo Memmi e Francesco Traini e la cattedra lignea del XVII secolo contenente quella su cui avrebbe predicato in Pisa S. Tommaso.
Sull’altare maggiore si trovava anticamente il grande polittico firmato da Simone Martini; mentre per la cappella di S. Domenico (ora cappella dei Caduti) era stato realizzato il dossale con S. Domenico e storie della sua vita firmato e datato da Francesco Traini, entrambi conservati al Museo di S. Matteo.