На месте церкви Святой великомученицы Екатерины с середины XVIII века стояла полотняная Троицкая церковь Кабардинского полка, потом ее сменила деревянная Никольская. Между 1762 и 1773 годами она была переосвящена во имя св. Екатерины, некоторое время ею пользовались Кексгольмский полк и больные оспой.

В Рождество 1809 года церковь сгорела дотла. Православная церковь Святой Екатерины была заложена 26 сентября 1811 году по проекту Андрея Михайлова 2-го. Каменную церковь «в греческом вкусе» с восьмиколонным портиком освятили в 1823 году. Храм увенчан большим куполом, обработанным коринфскими пилястрами, на который установили покрытого свинцом ангела. В руках ангел держал вызолоченный медный крест.

С марта 1936 года храм был закрыт, крест из рук ангела был украден, ангел спущен. Лишь спустя 60 лет церковь возвратили верующим. В 2000 году на колокольню был поднят золоченый крест. Ангел на купол храма возвращен в декабре 2017 года. В Петербурге родилось поверье, согласно которому пока три ангела витают над городом, он защищен от любой беды. Речь идет о золотом ангеле на шпиле Петропавловской крепости, бронзовом на Александровской колонне и свинцовом на церкви св. Екатерины.

Из общей массы застроек Кадетской линии храм выгодно выделяется красотой и величием. После захода солнца великолепие храма подчеркивается 142 светильниками.