В начале XVII века в городе уже была деревянная церковь Екатерины с приделом преподобного Онуфрия. Стояла она за Глебовскими воротами, в остроге, в Стрелецкой слободе, вблизи того места, где располагается театр Юного зрителя. В 1697-1699 годах взамен деревянной возвели каменную. По преданию, подрядчиком был Никита Бухвостов. В начале XVIII века её разобрали.
Существующая каменная церковь Екатерины находится на территории центрального рынка, устроенного в советское время на месте снесённых городских кварталов. Построена в 1798 году в бывшей Солдатской слободе на высоком левом реки Лыбедь, во 2-й половине XX века реку заключили в трубу, а русло осушили и разбили там сквер. До 1836 года при церкви была отдельно стоящая колокольня, в 1885 году её соединили с расширенной трапезной. Своды трапезной разобрали, а наружные стены частично использовали как внутренние столбы для опоры стропильных конструкций крыши и плоского дощатого перекрытия. В 1906 году после устройства ещё двух приделов престолов в церкви стало три: во имя Рождества Богородицы, великомученицы Екатерины, Георгия Победоносца. В конце XIX века к колокольне пристроили дополнительные помещения. Вокруг церкви сделали ажурную металлическую ограду на кирпичном цоколе с арочными воротами и калитками, кирпичные столбы ограды завершались шарами. Стены и своды четверика расписали заново. Рядом с церковью, за оградой стояло кирпичное здание церковно-приходской школы, выстроенное на средства попечителя школы Евлампия Ефимовича Акимова.
За годы советской власти церковь использовалась под торговый павильон рынка, столовую, парикмахерскую. В связи с этим верхние ярусы колокольни были разобраны, а в четверике и апсиде устроены междуэтажные перекрытия, над окнами второго света храма стёсаны барочные бровки. С 1978 года по 1990 год Рязанским научно-реставрационным управлением по церкви велись реставрационные работы, разобрали поздние перегородки и перекрытия. По проекту архитектора С.Г. Варганова были восстановлены свод и кровля четверика с главой и крестом, крыша трапезной, дверные и оконные заполнения. В 1991 году возобновились Богослужения. В 1998 году восстановили верхние ярусы колокольни.
Один из немногих сохранившихся храмов Рязани в формах раннего классицизма, с элементами зрелого классицизма в обработке фасадов колокольни. Стилизованный декор трапезной выполнен в духе эклектики. Принадлежит к традиционному трёхчастному типу церквей. Продольно-осевая композиция памятника включает двусветный четверик храма с прямоугольным алтарём, со скруглённой восточной стеной, более широкую пониженную трапезную и трёхъярусную колокольню. Выпуклая гранёная кровля храма завершается небольшим глухим восьмериком и маковичной главкой на барабанчике. Два нижних яруса колокольни четверики, причём средний по своим размерам скорее напоминает полуярус. Третий цилиндрический ярус завершается купольной кровлей со шпилем на восьмигранном постаменте.
