Het neogotische gebouw is ontworpen door Pierre Cuypers en geldt als een vroeg hoogtepunt in diens carrière. De bouw begon in 1861 en werd voltooid in 1867. De kosten van de bouw bedroegen fl. 279.000. Cuypers verwerkte in dit ontwerp veel ideeën over symboliek van de katholieke schrijver Joseph Alberdingk Thijm. Het opvallendste kenmerk van de kerk zijn de twee torens, die beide 73 meter hoog zijn en naar voorbeelden uit de Franse gotiek verschillend van vorm zijn, een zogenaamde mannelijke en een vrouwelijke toren, met de benaming David-toren en Maria-toren. Cuypers haalde hiervoor zijn inspiratie bij de kathedraal van Chartres. De torens maken deel uit van het dubbeltorenfront. De vele roosvensters verwijzen naar de heilige Catharina, wier attribuut een wiel is. In afwijking van Alberdingk Thijms ideeën is de kerk niet georiënteerd en is het koor naar het westen gericht. 

In 1942 en 1944 werd de kerk zwaar beschadigd door bombardementen. Na de oorlog volgde een restauratie door architect C.H. de Bever. De oude ramen, die verloren waren gegaan, werden vervangen door glas-in-loodramen van onder meer Charles Eyck en Pieter Wiegersma. De kerk is sinds 1972 een rijksmonument. In 1974 werd de kerk overgedragen aan de gemeente Eindhoven met de afspraak er nog 50 jaar over te kunnen beschikken voor de eredienst. In 1980-1982 was een flinke restauratie nodig en in 2000 werd er weer grootschalig gerestaureerd.In 2003 werden bij opgravingen onder het plein honderden skeletten gevonden. Enkelen werden gereconstrueerd en een ervan is bekend geworden onder de naam Marcus van Eindhoven. Vanaf 2004 was de kerk regelmatig een van de topstukken van lichtfestival Glow. Zie ook foto's 12350, 34369 en 27410. (Red.)