I domenicani arrivarono a Siena nel 1220, un anno prima della morte del loro fondatore Domenico di Guzmán. Nel 1225 ricevettero un terreno in donazione da Fortebraccio Malavolti. La chiesa fu quindi innalzata nel 1226-1265, ma nel corso del Trecento il complesso fu ampliato nelle forme gotiche che vediamo ancora oggi. Fu costruita a più riprese e terminata nel 1465; subì incendi (1443, 1456 e 1531; dopo quest'ultimo fu restaurata da Domenico Cinquini), occupazioni militari (1548-1552) e terremoti (1798). Nel corso del Seicento e Settecento il complesso subì numerosi rimaneggiamenti barocchi, con l'aggiunta e il rifacimento degli altari laterali.

Dopo il terremoto del 1798 il campanile, già malridotto, fu abbassato al livello odierno e fu dotato del coronamento merlato attuale. Per analoghi motivi di stabilità, furono chiusi l'occhio centrale della facciata e le finestre laterali. L'ultimo intervento è del 1941-1963, in occasione del quale furono tolte le sovrapposizioni barocche, ripristinate in parte le forme gotiche antiche e aggiunte le vetrate moderne con le Storie di santa Caterina, di Bruno Cassinari.

Nel luglio del 1925 papa Pio XI elevò la chiesa alla dignità di basilica minore.