È in questa chiesa gotica conventuale (XIII-XIV sec.) cheSanta Caterina ebbe le sue estasi. Vi è custodito un ritratto della Santa, opera di Andrea Vanni, suo contemporaneo. All'interno della cappella di Santa Caterina, in un bel tabernacolo rinascimentale in marmo scolpito da Giovanni di Stefano, è conservata la testa della santa. Alle pareti, affreschi del Sodoma che rappresentano episodi della sua vita.