Edificata probabilmente nella prima metà del '500, e completamente trasformata in epoca barocca, fu consacrata 1'8 luglio 1668 dal Vescovo di Luni e Sarzana Giovanni Battista Spinola, come ricorda una lapide murata nell'interno, in basso sul lato sinistro. Nel XVIII secolo, quando nell'arredo ecclesiastico si impose definitivamente l'uso dei marmi policromi su larga scala, la chiesa subì altre trasformazioni. In questo periodo vennero infatti costruiti l'altar maggiore, la balaustrata, l'altare della Madonna del Rosario, il pulpito e le acquasantiere.
La facciata, come frequentemente avviene in molte chiese della Liguria, è molto semplice ed essenziale e, dunque, decisamente in contrasto con la ricchezza dell'interno. E bipartita da una trabeazione aggettante decorata con ovali. Sia l'ordine inferiore che quello superiore sono tripartiti da lesene dipinte. Il timpano è abbellito con modanature e decorazioni. Sul portale, una cornice dipinta con decorazioni barocche, sorretta da due angeli. Al centro della cornice quattro simboli: una palma e un giglio poggianti su una ruota, reggono una corona. La ruota, la palma e il giglio sono riferiti a Santa Caterina, la corona alla Madonna. Si fa notare che tutte le decorazioni della facciata richiamano quelle dell'interno.
Nella parte centrale dell'ordine superiore, un finestrone a tre settori con vetrate istoriate. A sinistra San Francesco che riceve le stigmate (sullo sfondo una chiesa che fa pensare alla basilica superiore di Assisi), al centro la Madonna del Rosario e a destra Santa Caterina da Siena, che con San Francesco è patrona d'Italia. Nelle altre tre vetrate istoriate della chiesa sono rappresentati: in quella sul fianco nord, San Giuseppe con Gesù Bambino (si noti la posizione irregolare del piede di quest'ultimo), in quella sul lato opposto, Santa Caterina d'Alessandria, a cui è dedicata la chiesa, in quella dell'abside, San Nicola da Bari con il pastorale, un frutto e un'imbarcazione sullo sfondo.
A destra, il quadrato e tozzo campanile, eretto tra chiesa e canonica. L'interno presenta uno schema planimetrico consueto nelle architetture sacre di metà Seicento un'ampia aula rettangolare con volta di copertura a botte lunettata e cappelle lungo le due pareti laterali scandite da lesene. Conclude la navata il presbiterio con coro semicircolare. La superficie delle volte è stata completamente decorata all'inizio del Novecento. Le lesene sono dipinte con scanalature terminanti superiormente con un capitello dorato a foglie d'acanto. Tra una lesena e l'altra, gli archi soprastanti gli altari laterali, abbelliti con stucchi, statue di angeli e marmi. Sopra l'arco di trionfo due angeli dorati sorreggono una cornice a volute, d'interno della quale si trova la scritta: QUAM DILECTA TABERNACULAT UA DOMINE 1907 (Quanto sono amabili le tue dimore o Signore).
Nella volta sul presbiterio e nel catino absidale, angeli in gloria. Sul presbiterio e nell'abside, immediatamente al di sopra dei capitelli dorati che si trovano alla sommità delle lesene, fastosa decorazione azzurra con teste e ali di angeli dorate.
La chiesa di Santa Caterina è particolarmente ricca di arredi sacri perché. seconda una consuetudine ancora vigente alla fine del '700. i marinai bonassolesi dopo ogni viaggio portato a temine con esito favorevole destinavano una parte del loro guadagno ad essa.
Come si è già detto, il periodo d'oro della marineria commerciale del paese è compreso tra il '600 e il '700 e pertanto la maggior parte degli arredi è in stile barocco. Sarebbe quanto mai eccessivo soffermarsi su tutti e perciò si fornisce l'illustrazione solo dei più significativi da un punto di vista artistico o devozionale. Subito dopo le porte d'ingresso si trovano due acquasantiere pensili (una per lato), in marmi policromi sovrapposti entro un ovale in marmo grigio, assai originali. Su quella di sinistra, c'è inciso il monogramma di Cristo, sull'altra quello mariano. Proseguendo sulla destra, altare barocco con stucchi e, immediatamente dopo, pulpito rivestito in marmo lavorato ad intarsio, retto da una colonnina abbellita con tre testine di angeli e una ghirlanda di fiori e frutti. L'altare successivo ha le colonne tortili in marmo e due belle teste d'angelo, una per parte. Sopra lo stesso, gruppo scultoreo attribuito alla bottega del celebre scultore intagliatore su legno genovese Anton Maria Maragliano (XVII-XVIII sec.), con Gesù nell'orto del Getsemani nel momento di pronunciare le parole: Padre, se vuoi, allontana da me questo calice! Tuttavia non sia fatta la mia, ma la tua volontà. E subito gli appare un angelo dal cielo a confortarlo. Sopra l'ingresso laterale, tela con San Francesco che riceve le stigmate a La Verna; in alto Gesù tra San Lorenzo e San Giovanni Battista. Si noti a questo punto della visita la fastosità dei marmi della balaustra, dell'altare maggiore (con il bel Crocifisso in legno dipinto) e, soprattutto, dell'altare della Madonna del Rosario.
Nell'abside sono conservate tre grandi tele, dipinte negli ultimi anni del Settecento da Pietro Costa, un artista genovese che dev'essere ancora valutato adeguatamente dalla critica. Nelle due ai lati, scene dalla vita di Santa Caterina d'Alessandria; sopra al coro, la dormitio della santa.
I1 coro ligneo è settecentesco conie l'organo positivo che si trova dietro l'altare. Questo strumento di fabbricazione ligure ha la cassa dipinta, la cimasa curvilinea e le ante decorate internamente con motivi floreali. A sinistra del presbiterio, dieci ex-voto di Angelo Arpe.
Sul lato sinistro, altare della Madonna del Rosario, molto venerata a Bonassola, la cui ricorrenza si festeggia la prima domenica d'ottobre con particolare solennità e partecipazione popolare. L'altare è preceduto da tre gradini in marmo. In alto c'è un angelo per parte e una raggiera con in mezzo lo Spirito Santo, sotto forma di colomba, circondata da angeli. Al centro si apre la nicchia con la statua in marmo della Madonna, contornata da quattordici dipinti ovali e uno trapezioidale sui quali sono raffigurati i Misteri del Rosario (XVIII sec.). Ai lati due colonne in marmo scanalate per parte, tutto attorno rivestimento con marmi policromi.
Subito dopo l'altare della Madonna del Rosario, San Luigi Gonzaga, tela a forma di ovale del XVIII secolo. I Ritornando verso l'ingresso si trovano due belle tele dipinte, La Croce di Antonio Discovolo, l'Adorazione dei pastori, di Giovanni Battista Carlone, esponente di spicco della prima metà del '600 della grande stagione del barocco genovese.
Sopra l'ingresso l'organo, costruito dalla famosa ditta Fratelli Lingiardi nel 1854 e completamente restaurato recentemente.
In sacrestia sono conservati due quadri di buona fattura, il San Francesco (opera di un seguace di Bernardo Strozzi) e una tempera su legno, la Resurrezione e un Crocifisso con due Angeli. Vi è poi una serie di arredi sacri, vestiti liturgici e due reliquie di alto valore artistico e devozionale.