Bazylika San Domenico, znana również jako Basilica Cateriniana, jest jednym z najważniejszych kościołów w mieście.
Kościół został zapoczątkowany w 1226-1265, ale został powiększony w XIV wieku, czego efektem jest gotycki wygląd. Jednak aspekty gotyckiej struktury zostały następnie zniszczone przez pożary w 1443, 1456 i 1531 roku, a dalsze uszkodzenia wynikały później z okupacji wojskowej (1548-1552).

Jest to duża budowla zbudowana, podobnie jak wiele współczesnych budowli zakonów żebraczych, w cegłach, z wysoką dzwonnicą po lewej stronie (została ona zmniejszona po trzęsieniu ziemi w 1798 r.). Wnętrze znajduje się na planie krzyża egipskiego z wielką nawą pokrytą kratownicami i transeptem z wysokimi kaplicami.

Kościół zawiera kilka relikwii św. Katarzyny ze Sieny, których dom rodzinny jest w pobliżu.

Cappella delle Volte to stare miejsce modlitwy dominikanek, związane z licznym epizodem świętości życia Katarzyny ze Sieny. Mieści się w nim kanonizacja św. Katarzyny Mattia Preti, otoczona dwoma obrazami Crescenzia Gambarelli z 1602 roku. Inne prace tego ostatniego są również obecne. Główna ściana ma portret św. Katarzyny.

Na lewej ścianie nawy głównej znajduje się Madonna z Dzieciątkiem Francesco di Vannuccio, oprawiona przez Wiecznego ze Świętym Il Sodoma oraz przez predelę z piętnastoma Historiami Nowego Testamentu Antonio Magagna. Rutilio Manetti namalował egzorcyzm św. Antoniego Opata, Sebastiano Folli św. Katarzyny Aleksandryjskiej i Franciszka Vanniego św. Jacka Zapisanie posągu Madonny z ognia.

Ołtarze po prawej stronie zdobi pojawienie się Matki Boskiej Stefano Volpi (1630), Narodzenia Najświętszej Marii Panny Alessandro Casolaniego (1585) i relikwiarz relikwii św. Katarzyny.
Po nich następuje kaplica św. Katarzyny, w środku ołtarz z głową i kciukiem świętego. Il Sodoma dostarczył do kaplicy omdlenie i ekstazę św. Katarzyny i śmierci Niccolò di Tuldo, natomiast Francesco Vanni jest egzorcyzmem św. Katarzyny (1593-1596). 15-wieczny marmurowy chodnik z Orfeuszem i zwierzętami przypisuje się Francesco di Giorgio.
Prawa ściana ma fresk Pietro Lorenzettiego i Adorację pasterzy Francesco di Giorgio, uzupełniony lunetą Matteo di Giovanniego i predellą Bernardino Fungai.

Na prawym transepcie znajduje się ołtarz poświęcony Błogosławionemu Ambrogio Sansedoniemu, również przedstawiony na płótnie przez Francesco Rustici (1611-612).
Godne uwagi wśród kaplic są drugie, przysługujące męczennikom Narodu Niemieckiego, a trzecie, w tym Madonna z Dzieciątkiem i św. Hieronim i Jan Chrzciciel Matteo di Giovanni.
Czwarta kaplica ma barokowe płótno Raffaello Vanniego (1649) i św. Antoniego opata z 1426 r. Majestat Guido da Sieny (datowany na 1221 r., ale prawdopodobnie z lat 1265–1270 z dodatkami autorstwa wyznawcy Duccio) ) znajduje się w centrum piątej kaplicy, gdzie znajdują się również prace Matteo di Giovanniego, Benvenuto di Giovanniego i dwa freski Giuseppe Nicoli Nasini. Lewy transept kończy się ołtarzem św. Dominika.

Ołtarz ma ciborium z dwoma aniołami Benedetto da Maiano (1475-1480), natomiast w absydzie znajduje się Śmierć św. Piotra Męczennika Arcangelo Salimbeni (1579) i św. Tomasza i papieża Galgano Perpignani.
Kryptę w stylu gotyckim można zwiedzać. Mieści się w nim krucyfiks Sano di Pietro i ukrzyżowanie podpisane przez Venturę Salimbeni (1600).