В начале XVII века в городе уже существовала деревянная церковь Екатерины с приделом преподобного Онуфрия. Она находилась за Глебовскими воротами, в остроге, в Стрелецкой слободе, недалеко от современного театра Юного зрителя. В 1697-1699 годах вместо деревянной церкви построили каменную, подрядчиком которой, по преданию, был Никита Бухвостов. В начале XVIII века эту церковь разобрали.

Нынешняя каменная церковь Екатерины расположена на территории центрального рынка, который был создан в советское время на месте снесённых городских кварталов. Церковь была построена в 1798 году в бывшей Солдатской слободе на высоком левом берегу реки Лыбедь. Во второй половине XX века реку заключили в трубу, осушили её русло и разбили там сквер. До 1836 года при церкви стояла отдельно колокольня, которую в 1885 году соединили с расширенной трапезной. Своды трапезной разобрали, а наружные стены частично использовали как внутренние опоры для стропильных конструкций крыши и плоского дощатого перекрытия. В 1906 году в церкви устроили ещё два придела, и теперь она имеет три престола: во имя Рождества Богородицы, великомученицы Екатерины и Георгия Победоносца. В конце XIX века к колокольне добавили дополнительные помещения. Вокруг церкви установили ажурную металлическую ограду на кирпичном цоколе с арочными воротами и калитками, а кирпичные столбы ограды увенчали шарами. Стены и своды четверика были заново расписаны. Рядом с церковью, за оградой, находилось кирпичное здание церковно-приходской школы, построенное на средства попечителя Евлампия Ефимовича Акимова.

В советское время церковь использовали как торговый павильон, столовую и парикмахерскую. Из-за этого верхние ярусы колокольни были разобраны, а в четверике и апсиде устроили междуэтажные перекрытия, над окнами второго света храма были стёсаны барочные бровки. С 1978 по 1990 год Рязанское научно-реставрационное управление проводило реставрационные работы, в ходе которых убрали поздние перегородки и перекрытия. По проекту архитектора С.Г. Варганова восстановили свод и кровлю четверика с главой и крестом, крышу трапезной, а также дверные и оконные заполнения. В 1991 году в церкви возобновились богослужения, а в 1998 году восстановили верхние ярусы колокольни.

Церковь является одним из немногих сохранившихся храмов Рязани в стиле раннего классицизма, с элементами зрелого классицизма в оформлении фасадов колокольни. Декор трапезной выполнен в эклектичном стиле. Церковь относится к традиционному трёхчастному типу. Продольно-осевая композиция включает двусветный четверик храма с прямоугольным алтарём и скруглённой восточной стеной, более широкую пониженную трапезную и трёхъярусную колокольню. Выпуклая гранёная кровля храма завершается небольшим глухим восьмериком и маковичной главкой на барабанчике. Два нижних яруса колокольни имеют форму четвериков, причём средний по размерам напоминает полуярус. Третий цилиндрический ярус завершён купольной кровлей со шпилем на восьмигранном постаменте.