Ο ναός της Αγίας Αικατερίνης βρίσκεται στην Άνω Πόλη, κοντά στα βορειοδυτικά τείχη. Ιδρύθηκε στα τέλη του 13ου /αρχές του 14ου αιώνα και φαίνεται να ενσωμάτωσε παλαιότερο κτίσμα. Έχει προταθεί η ταύτισή του με το καθολικό της Μονής Παντοδυνάμου, της Μονής Φιλοκάλλη και πιο πρόσφατα με το ιαματικό προσκύνημα του Βεροιώτη Μυροβλύτη μοναχού Νικοδήμου που κτίστηκε στη Θεσσαλονίκη με πρωτοβουλία του Ανδρόνικου Β΄ Παλαιολόγου (1282-1328). Ανήκει στον τύπο του σύνθετου τετρακιόνιου σταυροειδούς εγγεγραμμένου ναού, με περιμετρικό ανοικτό περίστωο, χωρίς χωριστό νάρθηκα, και πέντε τρούλλους στην ανωδομή. Στην ανατολική απόληξη του βόρειου και νότιου σκέλους διαμορφώνονται δύο παρεκκλήσια. Ο ναός τουλάχιστον στη νότια πλευρά είναι διώροφος. Εσωτερικά στο νότιο σκέλος του περιστώου υπάρχει κάτω από το δάπεδο ταφική κρύπτη.
Εξωτερικά έχει κομψές αναλογίες, πλούσιο κεραμοπλαστικό διάκοσμο, και ποικιλία αρχιτεκτονικών μορφών που την καθιστούν κομψοτέχνημα της εποχής των Παλαιολόγων.
Διατηρούνται αρκετές τοιχογραφίες στον κεντρικό τρούλλο, στον κυρίως ναό, στο ιερό βήμα, στους βόρειους τρουλλίσκους του περιστώου και στο δυτικό τμήμα του περιστώου. Ανήκουν στην παράδοση των καλλιτεχνικών εργαστηρίων της Θεσσαλονίκης και χρονολογούνται στη δεκαετία 1315-1325. Στην περίοδο της Οθωμανικής κυριαρχίας μετατράπηκε σε τζαμί με την ονομασία Yakub Pasa τζαμί και οι τοιχογραφίες καλύφθηκαν με επιχρίσματα.
Ο ναός συγκαταλέγεται στον κατάλογο μνημείων παγκόσμιας κληρονομιάς της UNESCO (Paleochristian and Byzantine Monuments of Thessalonika).
