El templo, justo fuera de las murallas perimetrales de la ciudad, es uno de los edificios simbólicos de la arquitectura renacentista. Su construcción, que comenzó en 1508, terminó sólo un siglo después. Su arquitectura contrasta con la del centro histórico de Todi, de carácter medieval. El proyecto arquitectónico fue atribuido, aunque con algunas reservas, a Donato Bramante, aunque sin duda fue la intervención de algunos de los más destacados arquitectos de la época: Cola di Matteuccio da Caprarola, Ambrogio da Milano, Antonio da Sangallo el Joven, Jacopo Barozzi llamado "Il Vignola" y Baldassarre Peruzzi. El templo, de planta central y cruz griega, tiene tres ábsides poligonales y uno semicircular; en su interior doce estatuas de yeso, que representan a los doce apóstoles, descansan en otras tantas hornacinas, mientras que sobre el altar mayor se encuentra la antigua imagen de la Virgen con el Niño y las bodas de Santa Catalina de Alejandría. La imagen, que se cree que es milagrosa, estaba originalmente ubicada dentro de las paredes de una pequeña capilla que había caído en desuso a lo largo de los siglos. Un albañil la encontró cubierta de polvo y telarañas y, tras limpiarse el sudor de la frente con el mismo pañuelo con el que había limpiado el fresco, se curó milagrosamente de una grave enfermedad ocular. Como recordatorio, este evento sigue siendo un festival anual que se celebra el 8 de septiembre y termina con un hermoso y sugerente espectáculo de fuegos artificiales.
