La chiesa di Santa Caterina, oggi sconsacrata, si trova nella via omonima, di fianco all'ex convento di Santa Maria; insieme ad esso fa parte del complesso di Santa Caterina, una delle sedi dei Musei civici di Treviso.

L'edificio, in laterizio in parte intonacato, presenta una pianta molto semplice ad un'unica navata ad aula senza transetto. La facciata, non esattamente perpendicolare rispetto al resto dell'edificio, e il lato settentrionale si affacciano su via Santa Caterina, la zona absidale, delimitata verso l'esterno da una recinzione in ferro, su piazza Matteotti (già del Grano), il lato meridionale costituisce invece la parete di fondo di un lato del chiostro maggiore del convento. Tranne che per una Presentazione al tempio di Jacopo Palma il Giovane, oggi conservata nella sagrestia del Duomo di Castelfranco Veneto, non c'è traccia delle opere asportate.

La maggior parte degli affreschi superstiti, eseguiti tra la seconda metà del XIV e i primi decenni del XV secolo, si concentra sulla parete destra. Benché realizzati senza un piano preordinato (i vari riquadri venivano eseguiti a seguito di elargizioni di cittadini benefattori, o per offerte ex-voto, o per la richiesta di sepolture), i lavori si possono dividere in due gruppi omogenei: il primo gruppo, nella metà parete verso le absidi risale alla seconda metà del Trecento, il secondo gruppo, nella metà parete verso la facciata anteriore, all'inizio del Quattrocento. Tale raggruppamento rispecchia le due fasi di costruzione della chiesa, caratterizzata da una lunga interruzione fra il 1348 e la fine del XIV secolo. Questi affreschi, coperti nel 1590 da uno strato di intonaco, riemersero nel 1944 e furono restaurati fra il 1997 e il 2001 con fondi privati e pubblici.