De Johannieters voltooiden het kloostercomplex. De kloostergebouwen zelf zijn grotendeels bewaard gebleven en herbergen tegenwoordig het Museum Catharijneconvent; de kloosterkerk, gewijd aan beschermheilige Catharina van Alexandrië, kwam in 1560 gereed. Het is een grote kruiskerk in gotische stijl, die meer specifiek invloed vertoont van de Brabantse gotiek met zijn ronde zuilen en koolbladkapitelen. Het was de laatste middeleeuwse kerk die in Utrecht tot stand kwam. Bij de Hervorming in 1580, nog maar twintig jaar na de voltooiing, werd zij buiten gebruik gesteld en voor wereldlijke doeleinden ingericht, tot zij vanaf 1636 door de protestanten werd gebruikt.
In de Catharijnekerk zijn in de jaren daarna verschillende bekende Utrechters begraven, zoals de streng calvinistische theoloog Gisbertus Voetius en de schilders Abraham Bloemaert en Gerard van Honthorst.

Na de invoering van de godsdienstvrijheid in 1795 gingen de katholieken in Utrecht op zoek naar kerkruimten. Als enige van de middeleeuwse kerken in Utrecht werd de Catharijnekerk in 1815 teruggegeven aan de katholieken, eerst als garnizoenskerk, vanaf 1842 als parochiekerk, waarna zij, bij het herstel van de bisschoppelijke hiërarchie, in 1853 tot kathedraal verheven werd.
Het gebouw werd vervolgens van 1859 tot 1901 door het atelier van Friedrich Wilhelm Mengelberg in neogotische stijl versierd, en in 1900 werd het schip door architect Alfred Tepe met één travee naar het westen toe verlengd. De nieuwe westpartij, waarvan de gevel een vrij getrouwe kopie van de oude was, kreeg een 53 meter hoge toren die geïnspireerd is op die van het stadhuis in Kampen.
Bij een restauratie van 1955 tot 1965 werden de meeste neogotische elementen weer verwijderd en werd het interieur grotendeels teruggebracht naar de situatie in 1636 die is vastgelegd op tekeningen van Pieter Jansz Saenredam. De waardering voor de neogotiek is sindsdien echter gegroeid. In 2003 bleek het mogelijk om de veertien kruiswegstaties van Mengelberg uit 1898 in de kerk te herplaatsen.

Het orgel boven de hoofdingang werd gebouwd in 1903 door de Utrechtse orgelbouwer Michaël Maarschalkerweerd. Aanvankelijk was het een instrument met twee manualen en pedaal. In 1939 werd het met een manuaal uitgebreid en er werden enkele registers toegevoegd. In 1996 is het instrument gerestaureerd.