Il santuario di Santa Caterina si trova sulla Costa di Sant'Antonio e incorpora l'antica dimora dei Benincasa, casa natale di santa Caterina e si articola in vari portici, loggiati, chiese e oratori.


La zona della Conca di Vallechiara, ricca di acque convogliate a Fontebranda, era abitata da numerosi lavoratori della lana, che qui avevano le loro abitazioni, i laboratori e le tintorie. Tra questi vi era anche il padre della futura santa Caterina, Jacopo Benincasa. Il comune senese acquistò l'abitazione della santa (che apparteneva all'Arte della Lana) e altri edifici annessi per costruire un santuario subito dopo la canonizzazione di Caterina, nel 1461. Nel 1464 avviarono le trasformazioni.


La casa della santa affaccia ancora oggi sul vicolo del Tiratoio, ed è riconoscibile per il portale rinascimentale in pietra con l'iscrizione "Sponsae Kristi Catherine Domus" e per la loggetta soprastante, con colonnine in cotto.

Al complesso si accede dal neorinascimentale portico dei Comuni d'Italia, voluto dall'arcivescovo di Siena Mario Toccabelli per festeggiare la proclamazione di santa Caterina a Patrona d'Italia da parte di papa Pio XII nel 1939, proclamazione chiesta a gran voce dall'arcivescovo stesso (l'evento è ricordato da una targa). Il portico fu iniziato nel 1941, anno in cui ogni comune d'Italia contribuì alle spese della sua costruzione con una cifra simbolica equivalente al costo di un mattone. Da questo fatto curioso deriva il nome del portico. I lavori furono subito interrotti a causa della guerra, e furono terminati solo nel 1947. Il portico riporta anche i busti dei vari papi che riconobbero la santità e l'importanza di santa Caterina nella storia della chiesa. Questi includono Pio II, che la proclamò santa nel 1461, Pio XIII, che la proclamò patrona d'Italia, Paolo VI, che la nominò Dottore della Chiesa nel 1970, e Giovanni Paolo II, che la proclamò patrona d'Europa nel 1999. Il portico include anche un pozzo rinascimentale, progettato forse da Baldassarre Peruzzi nella prima metà del Cinquecento.

Si accede quindi ad altri due loggiati, di cui il primo, più antico, fu eretto nel 1530-1550 da Giovan Battista Pelori, allievo del più famoso Baldassarre Peruzzi. Il secondo loggiato è moderno e reca una statua in stucco di grosse dimensioni, raffigurante Santa Caterina e progettata come modello della statua che si trova sulla fortezza.


Accessibile dal terzo portico, la chiesa del Crocifisso fu costruita tra il 1614 e il 1623, sul terreno che secondo la tradizione ospitava l'orto della famiglia Benincasa. Scopo della sua costruzione era quello di ospitare il "Crocifisso" miracoloso dal quale Caterina ricevette le stimmate nel 1375. Il crocifisso, di scuola pisana e risalente alla seconda metà del XII secolo, proviene dalla chiesa di Santa Cristina a Pisa, teatro dell'evento miracoloso. Fino al 1623, anno di consacrazione della chiesa, il crocifisso si trovava nel sottostante oratorio della Camera ed è ora collocato nell'altare maggiore entro una cornice dorata e fiancheggiato da sportelli cinquecenteschi dipinti da Bartolomeo Neroni, con le figure di Santa Caterina e San Girolamo. L'altare di marmo è invece del fiorentino Tommaso Redi e risale al 1649.

La chiesa contiene varie tele seicentesche, dipinte da vari autori e raffiguranti scene della vita di santa Caterina. Tra queste l'Apoteosi di santa Caterina di rutilio Manetti (altare a sinistra), Santa Caterina e Gregorio XI di Sebastiano Conca (altare di destra).Mirabile è la volta affrescata nel 1701-1703 da Giuseppe Nicola Nasini con la Glorificazione di santa Caterina.

Nella chiesa è conservata anche una lampada votiva in bronzo voluta dalle madri dei soldati caduti nella seconda guerra mondiale. L'olio per alimentare la fiamma della lampada viene offerto ogni anno, in occasione di precise ricorrenze, da un Comune italiano o da un'associazione.


Di fronte alla chiesa del Crocifisso si trova l'oratorio Superiore o "della Cucina". Questo locale era in origine la cucina della famiglia Benincasa (famiglia della santa) e contiene ancora oggi, sotto l'altare, i resti del focolare, sui cui tizzoni ardenti Caterina cadde in estasi rimanendo illesa. La cucina fu trasformata in Sala di riunioni dalla Confraternita della Santa nel 1482-1483. Nel 1550-1555 fu ampliato inglobando altri locali adiacenti e fu quindi terminato nel 1661. Entro la fine del 1500 l'oratorio fu dotato del pavimento maiolicato (rifatto nel 1600 da Girolamo di Marco), del soffitto a cassettoni con rosono dorati (restaurati nel 1594) e del coro ligneo.

La pala d'altare fu realizzato da Bernardino Fungai nel 1495-1497 e raffigura la Stimmate di santa Caterina tra i santi Girolamo e Domenico e Santa Caterina in gloria tra santi, oltre alla predella con Storie della vita della santa. Nel 1567-1571 la pala d'altare fu adornata da Bartolomeo Neroni, detto il Riccio, del Padre e dei Due profeti che si trovano sopra e delle due scene laterali raffiguranti Santa caterina che dona l'abito a Gesù in veste di pellegrino e Gesù restituisce alla santa la crocetta che aveva ricevuto da lei in veste di pellegrino.

Le pareti laterali e la parete di fondo riportano tele di vari artisti, realizzate per lo più tra il 1578 e il 1635 con Scene della vita della santa.

Scendendo le scale dallo stesso loggiato si accede ad un altro oratorio con tele ottocentesche di Alessandro Franchi e Gaetano Marinelli, descriventi ancora scene della vita della santa. L'oratorio contiene anche una tela antica sull'altare, le Stimmate di santa Caterina di Girolamo di Benvenuto (inizio XVI secolo).
Dall'interno dell'oratorio si può osservare il cubicolo in cui riposava Caterina. Qui si conservano varie reliquie ed è visibile sul pavimento la sporgenza in pietra usata dalla santa come cuscino per dormire in terra. Dentro un armadio sono conservati molti ex voto e i libri con i nomi dei componenti l'Associazione internazionale dei Caterinati.