Tento kostel je zasvěcen sv. Kateřině a byl postaven ve 14. stol. v jednoduchém gotickém slohu asi mezi rokem 1360 - 1363. Avšak klášter při kostele se připomíná už v listinách papeže Mikuláše IV. (1288 - 1292).

Za husitských válek byl kostel velmi poškozen. Když v roce 1455 vyhořelo celé město, podlehl ohni i kostel. Byl opraven, ale v roce 1513 opět vyhořel. Během třicetileté války, kdy byla Olomouc v letech 1642 - 1650 sužována pobytem švédského vojska, utrpěl mnoho škod, ale po válce byl znovu obnoven. Kostel výrazně změnila barokizace, která začala už po švédské okupaci, zejména v období po roce 1701, kdy při velkém požáru města vyhořel i kostel sv. Kateřiny včetně kláštera. Barokizace kostela i celého kláštera pokračovala až do 2. třetiny 18. století, kdy byla vložena nad kruchtu lodi barokní klenba.

Pod kostelem je krypta, kde byly pochovávány sestry dominikánky. Tento řád zde byl až do zrušení v roce 1782 císařem Josefem II. Klášter byl pak předán sestrám voršilkám, které do Olomouce přišly z Prahy roku 1697, aby se věnovaly výchově a vyučování dívčí mládeže, a které až do roku 1782 bydlely na Bělidlech, v nynější Sokolské ulici v č. 5,7,9 a 11.

V roce 1800 kostel opět vyhořel, střecha byla zničena, věž se zřítila do dvora sakristie, zvony spadly na chrámovou klenbu, kde se roztavily, ale klenbu neporušily. Kostel byl téhož roku obnoven a 4 barokní oltáře byly nahrazeny gotickými. Okna byla opatřena vitrážemi.

Kostel byl světle vymalován v roce 1932. Hlavní oltář obnoven, svatostánek pozlacen, barokní sochy alabastrovány, ostatní polychromovány, stěny kostela obloženy dřevěnými deskami.

V květnu a červnu 1985 byl proveden na severním průčelí kostela průzkum a byly opět obnoveny původní gotické vrcholy oken, odstraněny zazdívky jejich kružeb v podkroví a doplněny chybějící části.

V průčelí kostela je zvlášť nápadný hlavní portál. Je členěn několika pruty v odstupňovaném ostění, po vnějšku rámován tzv. vimperkem. Vnější obrys zmíněného vimperku je doplněn tzv. kraby a ve špici křížovou kytkou. Do kostela se vstupuje krásně vyřezávanými pozdně renesančními dveřmi z konce 16. století.

Interiér kostela je upraven novogotickým obložením a novogotickou oltářní architekturou. Oltářní obraz představuje patronku kostela sv. Kateřinu Alexandrijskou. Po jeho stranách jsou obrazy sv. Cyrila a Metoděje, nad kterými jsou umístěny sochy sv. Petra a Pavla. Nástavbu oltáře zdobí socha Panny Marie, spolu se soškami sv. Jáchyma a Anny, rodičů Panny Marie. Z doby sester dominikánek se zachovaly čtyři barokní sochy na hlavním oltáři: sv. Dominik, sv. Kateřina Sienská a sv. Růžena z Limy, sv. Tomáš Akvinský.

Po levé straně je v presbytáři oltář Panny Marie Lurdské s menšími soškami sv. Josefa a sv. Jana Evangelisty. Na oltáři se nachází schránka s ostatky sv. Klementa, mučedníka.

Uprostřed po levé straně je oltář Božského Srdce Páně, nad sochou Pána Ježíše je obraz sv. Voršily, patronky řádu, nad ním socha sv. archanděla Michaela. Po bocích sochy sv. Filomeny a sv. Barbory.

Kazatelna nese obraz Ježíše - Dobrého Pastýře, nad stříškou je socha Boha Otce.

Na protější straně je oltář se soškou Dítěte Ježíše, nad ní velký obraz sv. Anděly, zakladatelky řádu voršilek. Nad tímto pak socha sv. Josefa, po stranách sochy sv. Augustina a sv. Karla Boromejského.

Před vchodem na kůr je křížová kaple se sochami Zachariáše a proroka Jeremiáše. V kapli velký kříž se sochami Panny Marie a sv. Jana.

Proti křížové kapli je oltář Panny Marie se sochou sv. Jana Nepomuckého. Po stranách socha sv. Ignáce, sv. Františka Xaverského, sv. Hyacinta a blahoslaveného Česlava. Pod kůrem jsou obrazy sv.Tadeáše, sv. Aloise, sv. Jana Nepomuckého, sv. archanděla Rafaela s Tobiášem a sv. Voršily.