Sa construction, commencée en 1508, n'a été achevée qu'un siècle plus tard. Son architecture contraste avec celle du centre historique de Todi, qui est de caractère médiéval. Le projet architectural a été attribué, bien qu'avec quelques réserves, à Donato Bramante, tandis que l'intervention de certains des architectes les plus distingués de l'époque est certaine : Cola di Matteuccio da Caprarola, Ambrogio da Milano, Antonio da Sangallo il Giovane, Jacopo Barozzi dit "Il Vignola" et Baldassarre Peruzzi. Le temple, à plan central et croix grecque, présente trois absides polygonales et une semi-circulaire ; à l'intérieur, douze statues en plâtre représentant les douze apôtres reposent dans autant de niches, tandis qu'au-dessus du maître-autel se trouve l'ancienne image de la Vierge à l'Enfant et du Mariage de Sainte Catherine d'Alexandrie. L'image, considérée comme miraculeuse, se trouvait à l'origine dans les murs d'une petite chapelle qui s'était délabrée au fil des siècles. Un maçon l'a trouvée couverte de poussière et de toiles d'araignée et, après avoir essuyé la sueur de son front avec le même mouchoir avec lequel il avait nettoyé la fresque, il a été miraculeusement guéri d'une grave maladie des yeux. Un festival annuel reste en mémoire de cet événement, qui est célébré le 8 septembre et se termine par un magnifique et évocateur feu d'artifice.
