Byggeriet blev påbegyndt i 1508, men blev først afsluttet et århundrede senere. Dens arkitektur står i kontrast til Todi's historiske centrum, som er af middelalderlig karakter. Det arkitektoniske projekt er, om end med visse forbehold, blevet tilskrevet Donato Bramante, mens det er sikkert, at nogle af datidens mest fremtrædende arkitekter har medvirket: Cola di Matteuccio da Caprarola, Ambrogio da Milano, Antonio da Sangallo il Giovane, Jacopo Barozzi, kendt som "Il Vignola", og Baldassarre Peruzzi. Templet, der har en central plan med et græsk kors, har tre polygonale apsider og en halvcirkelformet apsis; indeni hviler tolv gipsstatuer, der forestiller de tolv apostle, i lige så mange nicher, mens der over højalteret er det antikke billede af Madonnaen med barnet og Ægteskabet med den hellige Katarina af Alexandria. Billedet, der menes at være mirakuløst, befandt sig oprindeligt inden for murene i et lille kapel, som var forfaldet i århundredernes løb. En murer fandt det dækket af støv og spindelvæv, og efter at have tørret sveden af sin pande med det samme lommetørklæde, som han havde rengjort freskoen med, blev han på mirakuløs vis helbredt for en alvorlig øjensygdom. Til minde om denne begivenhed holdes der en årlig festival, som fejres den 8. september og afsluttes med et smukt og stemningsfuldt fyrværkeri.
