A principios del siglo XVII, ya existía en la ciudad una iglesia de madera dedicada a Santa Catalina con una capilla del venerable Onufrio. Estaba situada detrás de las puertas de Glebov, en la fortaleza, en el barrio de los tiradores, cerca del actual teatro para jóvenes espectadores. Entre 1697 y 1699, en lugar de la iglesia de madera, se construyó una de piedra, cuyo contratista, según la tradición, fue Nikita Bujvostov. A principios del siglo XVIII, esta iglesia fue desmantelada.

La actual iglesia de piedra de Santa Catalina se encuentra en el territorio del mercado central, que fue creado en la época soviética en el lugar de los barrios urbanos demolidos. La iglesia fue construida en 1798 en el antiguo barrio de soldados, en la alta orilla izquierda del río Lybed. En la segunda mitad del siglo XX, el río fue canalizado, se drenó su cauce y se creó un parque allí. Hasta 1836, había un campanario separado junto a la iglesia, que en 1885 se unió a la ampliada sala de la cena. Se desmontaron las bóvedas de la sala de la cena, y las paredes exteriores se utilizaron parcialmente como soportes internos para las estructuras del techo y el forjado plano de tablones. En 1906, se añadieron dos capillas más a la iglesia, y ahora tiene tres altares: en nombre del Nacimiento de la Virgen María, la gran mártir Catalina y Jorge el Victorioso. A finales del siglo XIX, se añadieron espacios adicionales al campanario. Alrededor de la iglesia se instaló una reja metálica calada sobre un zócalo de ladrillo con puertas de arco y portones, y los postes de ladrillo de la reja fueron coronados con esferas. Las paredes y bóvedas del cuadrado fueron repintadas. Junto a la iglesia, detrás de la reja, había un edificio de ladrillo de la escuela parroquial, construido con los fondos del benefactor Evlampio Efimovich Akimov.

En la época soviética, la iglesia se utilizó como pabellón comercial, comedor y peluquería. Debido a esto, los niveles superiores del campanario fueron desmantelados, y en el cuadrado y el ábside se hicieron entrepisos, sobre las ventanas de la segunda luz del templo se recortaron los arcos barrocos. Desde 1978 hasta 1990, la administración científica y de restauración de Riazán llevó a cabo trabajos de restauración, durante los cuales se eliminaron los tabiques y forjados tardíos. Según el proyecto del arquitecto S.G. Varganov, se restauraron la bóveda y el techo del cuadrado con la cúpula y la cruz, el techo de la sala de la cena, así como los llenados de puertas y ventanas. En 1991, se reanudaron los servicios religiosos en la iglesia, y en 1998 se restauraron los niveles superiores del campanario.

La iglesia es uno de los pocos templos de Riazán que se han conservado en el estilo del temprano clasicismo, con elementos del clasicismo maduro en la decoración de las fachadas del campanario. La decoración de la sala de la cena está realizada en un estilo ecléctico. La iglesia pertenece al tipo tradicional de tres partes. La composición axial longitudinal incluye un cuadrado de dos luces del templo con un altar rectangular y una pared oriental redondeada, una sala de la cena más ancha y baja, y un campanario de tres niveles. El techo convexo y facetado del templo se culmina con un pequeño octógono ciego y una cúpula en el tambor. Los dos niveles inferiores del campanario tienen forma de cuadrados, siendo el del medio de tamaño similar a un medio nivel. El tercer nivel cilíndrico está coronado con un techo de cúpula y una aguja sobre un pedestal octogonal.