Der 1508 begonnene Bau wurde erst ein Jahrhundert später abgeschlossen. Seine Architektur steht im Gegensatz zu der des historischen Zentrums von Todi, das mittelalterlich geprägt ist. Der architektonische Entwurf wird, wenn auch mit einigen Vorbehalten, Donato Bramante zugeschrieben, während die Mitwirkung einiger der bedeutendsten Architekten der Zeit sicher ist: Cola di Matteuccio da Caprarola, Ambrogio da Milano, Antonio da Sangallo il Giovane, Jacopo Barozzi, bekannt als "Il Vignola", und Baldassarre Peruzzi. Der Tempel mit zentralem Grundriss und griechischem Kreuz hat drei polygonale Apsiden und eine halbrunde Apsis; im Inneren befinden sich in ebenso vielen Nischen zwölf Gipsstatuen, die die zwölf Apostel darstellen, während sich über dem Hauptaltar das antike Bild der Madonna mit Kind und die Hochzeit der Heiligen Katharina von Alexandria befinden. Das wundertätige Bildnis befand sich ursprünglich in den Mauern einer kleinen Kapelle, die im Laufe der Jahrhunderte baufällig geworden war. Ein Maurer fand es mit Staub und Spinnweben bedeckt vor, und nachdem er sich mit demselben Taschentuch, mit dem er das Fresko gereinigt hatte, den Schweiß von der Stirn gewischt hatte, wurde er wie durch ein Wunder von einer schweren Augenkrankheit geheilt. Zum Gedenken an dieses Ereignis findet jedes Jahr am 8. September ein Fest statt, das mit einem schönen und stimmungsvollen Feuerwerk endet.
