במאה ה-12 הוקם באתר מנזר הצלבני, ובשלב כלשהו, לפני המאה ה-15, נבנתה קפלה קטנה במקום בו שכן אולם המפגשים של המנזר. ב-1882 הוחלפה הקפלה בכנסייה הנוכחית, שנבנתה בסגנון ההתחייה הגותית. הקמת המבנה מומנה בכספי תרומות שנתנו לשם כך על ידי פרנץ יוזף הראשון, קיסר האימפריה האוסטרו-הונגרית. בד בבד עם בניית הכנסייה הוקמה לצידה אכסניית צליינים (Casa Nova), שבה שוכנים, בין היתר, גם משרדי הרובע הלטיני בבית לחם. הקלויסטר של המנזר הקדום לא נהרס, והכניסה אל הכנסייה נעשית דרכו. בשנת 1949 שופץ הקלויסטר בידי האדריכל האיטלקי אנטוניו ברלוצי. עד שנת 1999 עוטר פנים הכנסייה בגלגלים שסימלו את גלגל השבירה עליו התייסרה קתרינה הקדושה. לקראת שנת 2000 וביקור האפיפיור יוחנן פאולוס השני בישראל, שופצה הכנסייה והגלגלים הוסרו. בנוסף, המבנה הורחב מזרחה, מעבר למזבח המרכזי. בשנת 2002 הותקן בכנסייה אורגן חדש שנפגע מפגיעת פגז צה"לי במהלך האינתיפדה השנייה.

הכניסה אל הכנסייה היא דרך הקלויסטר שבצידה המערבי. במרכזו של הקלויסטר ניצב פסלו של הירונימוס הניצב על-גבי עמוד. מעל דלת הכניסה לכנסייה מופיעה כתובת בלטינית לאמור: "SANCTAE CATHERINAE VIRGINI ET MARTIRI DICATUM" ("מוקדש לקתרינה הקדושה, הבתולה והמרטירית"), ומעליה ניצב פסל מרים.

הכנסייה מלבנית ובנויה בצורת בזיליקה, ולה שלוש ספינות. תקרתה מעוצבת בדמות קמרון צולב, וקשתותיו המוזהבות נישאות על-גבי פילסטרים עטורי כותרות קורינתיות. בכותל המזרחי של הכנסייה, מעל האורגן, קבוע ויטראז' גדול, המתאר את לידת ישו. מעבר המשמש רק בעת אירועים דתיים מיוחדים, דוגמת חג המולד, מקשר בין הכנסייה למערת המולד, וגרם מדרגות מוביל מהכנסייה אל מערות הקבורה התת-קרקעיות שמתחת למתחם. במזבח הצד הימני מוצג פסל ישו התינוק עשוי עץ, כשהוא נח על מצע קש. פסל זה מועבר בחג המולד אל המזבח המרכזי.