De bouw ervan, begonnen in 1508, werd pas een eeuw later voltooid. De architectuur contrasteert met die van het historische centrum van Todi, dat een middeleeuws karakter heeft. Het architectuurproject wordt, zij het met enig voorbehoud, toegeschreven aan Donato Bramante, terwijl de tussenkomst van enkele van de meest vooraanstaande architecten uit die tijd vaststaat: Cola di Matteuccio da Caprarola, Ambrogio da Milano, Antonio da Sangallo il Giovane, Jacopo Barozzi bekend als "Il Vignola" en Baldassarre Peruzzi. De tempel, met een centraal plan en Grieks kruis, heeft drie veelhoekige apsissen en een halfronde; binnenin rusten twaalf gipsen beelden van de twaalf apostelen in evenveel nissen, terwijl boven het hoofdaltaar het oude beeld van de Madonna met kind en het huwelijk van de heilige Catharina van Alexandrië staat. Het miraculeus geachte beeld bevond zich oorspronkelijk binnen de muren van een kleine kapel die door de eeuwen heen in verval was geraakt. Een metselaar vond het bedekt met stof en spinnenwebben en nadat hij het zweet van zijn voorhoofd had afgeveegd met dezelfde zakdoek waarmee hij het fresco had schoongemaakt, werd hij op wonderbaarlijke wijze genezen van een ernstige oogziekte. Ter herinnering aan deze gebeurtenis blijft een jaarlijks festival bestaan, dat op 8 september wordt gevierd en eindigt met een prachtig en suggestief vuurwerk.
