La seva construcció, iniciada l'any 1508, es va acabar només un segle més tard. La seva arquitectura contrasta amb la del centre històric de Todi, que té un caràcter medieval. El projecte arquitectònic s'ha atribuït, encara que amb algunes reserves, a Donato Bramante, mentre que sens dubte va ser la intervenció d'alguns dels arquitectes més famosos de l'època: Cola di Matteuccio da Caprarola, Ambrogio da Milano, Antonio da Sangallo el Jove, Jacopo. Barozzi conegut com "Il Vignola" i Baldassarre Peruzzi. El temple, de planta central i creu grega, té tres absis poligonals i un de semicircular; a l'interior dotze estàtues de guix, que representen els dotze apòstols, descansen en altres nínxols, mentre que sobre l'altar major hi ha l'antiga imatge de la Mare de Déu amb el Nen i les noces de Santa Caterina d'Alexandria. La imatge, que es creu miraculosa, es va trobar originàriament dins dels murs d'una petita capella que va caure en ruïnes al llarg dels segles. Un paleta el va trobar cobert de pols i teranyines i, després d'eixugar-se la suor del front amb el mateix mocador amb què havia netejat el fresc, es va curar miraculosament d'una greu malaltia ocular. Com a recordatori d'aquest esdeveniment, queda una festa anual que se celebra el 8 de setembre i que acaba amb un bonic i evocador castell de focs artificials.