Место, занимаемое церковью святой великомученицы Екатерины, издавна освящено присутствием на нем храма. С 1745 г. здесь располагалась "полотняная" (переносная) церковь Живоначальной Троицы Кабардинского полка. Вскоре ее сменила деревянная Никольская церковь, принадлежавшая Астраханскому драгунскому полку. С 1760-х гг. она стала церковью Кексгольмского полка и была переосвящена во имя святой Екатерины; ризница и утварь были перенесены в храм из походной церкви полка, некогда расквартированного на Гаванском поле, а позже, по распоряжению императрицы Елизаветы Петровны перемещенного на Кадетскую линию Васильевского острова. В 1782 г. деревянная Екатерининская церковь стала "оспенною", предназначавшейся для заболевших оспой или корью. Та церковь сгорела в день Рождества Христова в 1809 году со всей ризницей и утварью. При пожаре удалось спасти лишь храмовый образ великомученицы Екатерины.

В сентябре 1811 года по повелению императора Александра I была начата постройка нового, уже каменного, храма. Храм строился по проекту зодчего, ректора Императорской Академии Художеств А. А. Михайлова 2-го (1773 - 1849). Труд архитектора был почти безвозмездным. Наблюдал за работами каменных дел мастер И. Камельский. Строительство продолжалось 12 лет, так как во время Отечественной войны 1812 года приток пожертвований на церковь резко понизился. 23 ноября 1823 года состоялось освящение церкви. Приход Екатерининской церкви был выделен из приходов Андреевского собора и Благовещенской церкви. В нем было всего 40 домов, из которых православных было только 25; впоследствии к нему добавили часть домов по 3-й линии.

В соответствии с замыслом зодчего, здание церкви – это центрально-купольное сооружение, в основе плана которого положен греческий крест. Поставлено сооружение было несколько отступя от "красной линии" улицы – приём, характерный для культовых построек Петербурга второй половины XVIII века. Храм имел два боковых придела: правый - во имя Святого Иоанна Крестителя, левый во имя Святого Апостола Иоанна Богослова.

Основной вертикальной доминантой этого культового сооружения по замыслу зодчего был купол на высоком барабане, решенный в виде ротонды с колоннадой ионического ордера. Доминирующий купольный объём со скульптурой ангела на медном шаре на его вершине, работы скульптора И. П. Прокофьева, создавал выразительный вертикальный силуэт на этом участке Васильевского острова, как со стороны Малой Невы, так и в ряду застройки Съездовской линии. В руках ангела находился медный позолоченный крест. Изнутри купол изображал собою небо. Здание церкви, наверное, самое лучшее произведение архитектора А. А. Михайлова.

Западный фасад по проекту Михайлова представлял собой восьмиколонный коринфский портик – выразительный акцент в рядовой застройке улицы. На его фронтоне по рисунку В. И. Демут-Малиновского был сделан барельеф, изображавший святую великомученицу Екатерину, духовную невесту младенца Иисуса, принимающую венок от Богоматери с Иисусом Христом на руках. К сожалению, портик пришлось уничтожить из-за постройки в 1861 - 1863 годах каменной колокольни. Западная стена церкви была разобрана, и храм был соединен с построенной колокольней. Одновременно были сооружены трапезная, часовня, сторожка и соединяющая их ограда.

Существующая в настоящее время колокольня над западным фасадом была сооружена архитектором А. М. Болотовым (либо Л. Бонштедтом) и нарушила первоначальную композиционную гармонию. С ее постройкой вместительность храма увеличилась. В дальнейшем облик храма почти не менялся.

Внутри церковь была очень светлой, просторной. Помещения главного и боковых приделов органично соединялись в одно целое. Вся церковь была открыта настолько, что в ней не было места, откуда не было бы видно богослужения в главном храме. Высокохудожественная стенная роспись, кессоны с лепными розеттами создавали настроение торжественной приподнятости, духовной возвышенности. Барабан купола обработан 12 каннелированными пилястрами. Иконостасы всех трех алтарей были одноярусными, деревянными, крашеными белой масляной краской, местами декорированные золоченой резьбой. Над главным престолом на четырех тумбах, украшенных позолоченной резьбой, была устроена сень из балдахина, стоявшего над гробом императрицы Елизаветы Алексеевны во время следования ее праха из Белева в Чесьму. В 1907 г. во всех трех алтарях Святые Престолы и жертвенники были обложены благолепною одеждою из белого каррарского мрамора с инкрустациями. На верхних досках у жертвенников были высечены слова "Помяни, Господи, во царствии Твоем" и имена жертвователей. За Святым престолом в главном алтаре первоначально находилась картина с изображением Животворящего креста, перед которым на коленях стоят патриарх Никон и царь Алексей Михайлович. Со временем картина обветшала и была заменена в 1865 году иконой Воскресения Христова, работы художника К. П. Брюллова, в резной золоченой раме. Скульптурная работа по оформлению иконостаса производилась профессором В. И. Демут-Малиновским. Иконы в большом иконостасе принадлежали кистям знаменитых художников: Ф. П. Брюлло, Г. И. Угрюмова.

Главным богатством и украшением церкви были иконы, помещенные по стенам и на столбах. Большинство их было писано на меди, некоторые на дереве и холсте. На северной стене церкви под аркой висел большой образ "Поклонение волхвов", на южной - "Крещение Господне", на западной - "Вход Господень в Иерусалим". На столбах церкви, на верху, находились картины прекрасного письма: "Свидание Божией Матери с праведною Елизаветою", "Явление Бога Аврааму в виде трех странников", "Распятие апостола Петра вниз головою", "Бичевание Иисуса Христа во дворе Пилата". В куполе храма размещался образ "Венчание Божией Матери". Церковь славилась собранием старинных икон на медных досках в серебряных позлащенных ризах и золоченых киотах.

Постепенно, на средства многочисленных жертвователей разных сословий иконы приумножались и обновлялись, украшались дорогими серебряными и золочеными одеждами. Все образа, украшения, утварь, дорогие ризы приобретались на пожертвования или заказывались самими прихожанами. Так к образу свт. Николая Угодника, которому с своих завещаниях воины отказывали свои ордена и медали, полученные ими за доблести в ратном деле, был сооружен большой киот.

Поскольку в приходе находилась биржа, каждая биржевая артель имела в храме свой образ и за богослужением молилась перед ним. Самыми известными святынями храма были барельеф святой Троицы, содержащий 52 частицы святых мощей; список XIX века со знаменитой Иверской иконы Божией Матери в серебряной вызолоченной ризе; икона священномученицы Татьяны с серебряным позлащенным окладе с венцом из драгоценных камней; написанная на серебре Казанская икона Божией Матери и большой серебряный позолоченный крест с частицами святых мощей.

Конструктивным недостатком здания церкви являлась недостаточная вентиляция. Свечи и деревянное масло очень коптили, пачкали стены и позолоту, поэтому каждые 6-10 лет тебовался ремонт. Один из самых крупных ремонтов был произведен в 1890 году почетным прихожанином, известным купцом А. Г. Елисеевым.

В 1876 году при церкви было учреждено Приходское Благотворительное Общество, помогавшее бедным прихожанам, собирая для неимущих ежемесячные пособия. В 1888 году была открыта богадельня для безродных престарелых женщин.

Послереволюционная судьба храма святой Екатерины похожа на участь большинства православных храмов Санкт-Петербурга. Храм пережил то же, что и вся Русская церковь: борьба с раскольниками-обновленцами, временная победа обновленцев, закрытие храма и циничное надругательство над ним. В январе 1933 года президиум Василеостровского райсовета решил удовлетворить ходатайство Гидрологического института и передать здание храма для организации лаборатории. В июне 1933 года гидрографическому управлению была передана часовня, как было сказано "ввиду того, что верующие от пользования часовней отказались". В декабре 1935 года церковь была закрыта. С 1936 по 1953 год комплекс церкви почти не использовался в хозяйственных целях и не эксплуатировался. В июне 1942 года в часовню при церкви попали снаряды, и она была значительно разрушена. В 1953 г. здание церкви было передано Всероссийскому нефтяному научно-исследовательскому геологоразведочному институту (ВНИГРИ) под лабораторный корпус. Храм был перестроен под производственные помещения. Здание было разделено бетонными перекрытиями на четыре этажа, расчленено на клетки вертикальными перегородками. Образовавшиеся помещения заняли производственные мастерские и склады химикатов. Была реконструирована под трансформаторную подстанцию и разрушенная в войну часовня.

В последние годы интерес государства к многочисленным научным институтам пропал, и они влачили жалкое существование. ВНИГРИ не был исключением, здание не ремонтировалось, все коммуникации находились в аварийном состоянии. В 1996 году здание было возвращено православному приходу. В храме сохранились фрагменты первоначальной внутренней отделки (карнизы с модульонами, кессоны с лепными розеттами, живопись). Уже к сентябрю 1996 года удалось освободить притвор храма, отремонтировать его, установить временный алтарь и 1 декабря 1996 года совершить малое освящение части храма. С этого времени начались регулярные богослужения в церкви св. Екатерины, но пока только в помещении под колокольней. Основную же часть храма можно восстановить только при наличии колоссальных финансовых вложений.

Ныне при церкви действуют воскресная школа для детей, студия керамики, проводятся семинары на богословские темы для взрослых. 1 декабря 2000 года, накануне храмового праздника - дня святой великомученицы Екатерины - был установлен крест на колокольню храма. Крест был предварительно собран на Заячьем острове у Петропавловской крепости, затем с помощью вертолета установлен на колокольне. В 2001 - 2003 годах обновлены покрытия куполов на колокольне и храме. Так сделаны первые шаги в деле восстановления храма.