La iglesia, dedicada a Santa Catalina de Alejandría, fue construida a principios del siglo XIII, pero no fue hasta su concesión a los Dominicos (1222) cuando se construyó la estructura actualmente visible y el convento anexo. La estructura a modo de cabaña con un solo espacio, terminada probablemente alrededor de mediados del siglo XIII, responde a la exigencia de disponer de un espacio dedicado sobre todo a la predicación, además de a las liturgias y a las sepulturas. La nave única, cubierta con cerchas, se cruza con un transepto en forma de “T” sobre el que se asoman cuatro capillas abovedadas con arcos de crucería.
La fachada, terminada en la primera mitad del siglo XIV, está decorada con mármoles blancos de la localidad de San Giuliano Terme, marcados con franjas bicromas blancas y grises, que desarrollan el tema decorativo de la Catedral en clave gótica, uniendo los arcos de medio punto del primer orden con los pequeños arcos trilobulados de los órdenes superiores, sostenidos por pequeñas columnas con capiteles y protomos humanos. Altorrelieves con bustos de santos enmarcan un gran rosetón central. El campanario de barro se atribuye a Giovanni di Simone, autor también del campanario de San Francisco y del Camposanto Monumental. El interior, reconstruido en 1650 tras un incendio, conserva, entre otras obras, el monumento sepulcral del arzobispo Saltarelli, obra de Andrea y Nino Pisano, el gran retablo con el Triunfo de San Tomás, pintado probablemente por Lippo Memmi y Francesco Traini y la cátedra de madera del siglo XVII, que contiene aquella sobre la que predicó en Pisa San Tomás.
En el altar mayor se encontraba antiguamente el gran políptico firmado por Simone Martini; mientras que para la capilla de San Domingo (actualmente capilla de los Caídos) se realizó el dosel con San Domingo e historias de su vida, firmado y fechado por Francesco Traini. Ambas obras se conservan en el Museo de San Mateo.