Unica rimasta di dieci edifici religiosi sorti a Mazzorbo, la chiesa di santa Caterina venne fondata nell'anno 783 e ricostruita come annessa ad un monastero benedettino femminile nel secolo XIII.
Subì l'inarrestabile decadenza che coinvolse il territorio porcellano e nel 1806 chiesa e cenobio furono avocati al demanio in seguito ai decreti napoleonici.
Nel 1819 divenne l'unica chiesa parrocchiale di Mazzorbo e i restauri eseguiti negli 1922-25 ne alterarono la struttura, mentre quelli nel 2002 l'hanno riportata alle originali linee sobrie ed essenziali.
L'edificio è a navata unica con uno splendido soffitto a carena di lava del secolo XV.
Sono qui conservate opere di Matteo Ponzone e di Giuseppe Porta, detto "Il Salviati".
Il trecentesco campanile conserva la campana più antica di tutta la laguna di Venezia (1318).