La chiesa di Santa Caterina è un luogo di culto cattolico di Livorno, in piazza dei Domenicani; la sua alta cupola è l'elemento di spicco dello storico quartiere della Venezia Nuova, edificato a partire dalla prima metà del Seicento. All'interno si trova un altare della comunità siro-maronita; inoltre una epigrafe ricorda che un questa chiesa pregò Elizabeth Ann Bayley Seton.

L'edificio presenta una pianta ottagonale con cappelle laterali ed è sormontato da una grande cupola, alta quasi cinquanta metri grazie alla lanterna aggiunta nel 1869 da Dario Giacomelli. La facciata, lasciata allo stato grezzo, un po' come molte altre chiese toscane, presenta solo un grande portale in asse con una finestra policroma; l'interno, illuminato dai finestroni della cupola, è impostato attorno a otto grandi pilastri che sorreggono il tamburo della calotta.

Qui si possono ammirare gli affreschi ottocenteschi di Cesare Maffei realizzati sull'intradosso della volta e che, pur gravemente danneggiati dalle infiltrazioni, costituiscono, con i loro 1.500 metri quadrati, uno degli spazi affrescati più grandi della Toscana. Negli spicchi della cupola, impreziosita da ornati di Pietro Calamai, il pittore realizzò: San Domenico che riceve il rosario dalla Madonna, i Quattro evangelisti e alcune scene della Vita di Maria.

Nel coro vi è un notevole dipinto ad olio del Vasari, rappresenta l'Incoronazione della Vergine ed in origine era esposto a Roma, nella Cappella di San Michele in Vaticano; in seguito fu acquistato da Antonio Filicchi che, prima del 1818, ne fece dono alla chiesa livornese.