Bygget påbörjades 1508 och avslutades inte förrän ett sekel senare. Dess arkitektur kontrasterar mot den medeltida arkitekturen i Todi historiska centrum. Det arkitektoniska projektet har, om än med vissa förbehåll, tillskrivits Donato Bramante, medan det var säkert att några av tidens mest framstående arkitekter medverkade: Cola di Matteuccio da Caprarola, Ambrogio da Milano, Antonio da Sangallo il Giovane, Jacopo Barozzi känd som "Il Vignola" och Baldassarre Peruzzi. Templet, med en central plan och ett grekiskt kors, har tre polygonala absidor och en halvcirkelformad absid. På insidan vilar tolv gipsstatyer som föreställer de tolv apostlarna i lika många nischer, medan det ovanför högaltaret finns den antika avbildningen av Madonnan med barnet och den heliga Katarina av Alexandrias äktenskap. Bilden, som tros vara mirakulös, fanns ursprungligen inom väggarna i ett litet kapell som hade fallit i förfall under århundradena. En murare hittade den täckt av damm och spindelväv och efter att ha torkat svetten från pannan med samma näsduk som han hade rengjort fresken med, blev han mirakulöst botad från en allvarlig ögonsjukdom. Till minne av denna händelse hålls en årlig festival som firas den 8 september och avslutas med ett vackert och stämningsfullt fyrverkeri.
