Tai vėlyvojo baroko bažnyčia su puošniomis rokoko stiliaus dekoracijomis, pastatyta 1625 – 1743m. Pasižymi plastiškais fasadais, gausiu dekoru, o jos frontoną puošia du rokoko stiliaus bokštai. Mūrinė, dvibokštė, vienanavė su siauresne ir žemesne už navą presbiterija ir pusapskrite apsida. Šeši šventųjų skulptūromis išpuošti rokoko stiliaus altoriai pasižymėjo stiuko lipdiniais. Su vienuolynu bažnyčią jungia koridorius. Visas benediktinių vienuolyno ansamblis formavosi nuo XVII iki XIX a. Ansamblio dominantė - barokinė Šv. Kotrynos bažnyčia su dviem lieknais bokštais ir prie šono prigludusia Dievo Apvaizdos koplyčia. Nors Šv. Kotrynos bažnyčia neturi kupolo, tačiau dviejų eilių langų yra gerai apšviesta ir parodo savo altorių banguojantį turtingumą.

Šv . Kotrynos bažnyčioje buvo penkiolika dailininko Simono Čechavičiaus tapytų paveikslų, o didįjį altorių puošė didelės meninės vertės paveikslas, vaizdavęs šv. Kotrynos susižiedavimą su Vaikeliu Jėzumi. Išlikę paveikslai saugomi Lietuvos dailės muziejuje.

Pirmosios Kulmo (Chełmno) kongregacijai priklausančios benediktinės į Vilnių atvyko maždaug 1620 m. iš Nesvyžiaus. Mikalojus ir Kotryna Horodiskiai atvykusias vienuoles įkurdino savo gotikiniame name, aplink kurį formavosi visas vienuolyno ansamblis. Įsikūrusios Vilniuje, vienuolės pradėjo nedidelės bažnyčios statybą (pašventinta ji buvo 1632 m.), plėtė vienuolyno pastatų kompleksą. Pagerėjusi materialinė padėtis leido pasistatydinti didesnę mūrinę bažnyčią (ji pašventinta 1650 m.). Karo su Maskva metu bažnyčia ir vienuolynas smarkiai nukentėjo, atstatymo darbai tęsėsi gana ilgai, 1703 m. bažnyčia buvo naujai pašventinta. Tačiau didysis 1737 m. Vilniaus gaisras neaplenkė ir benediktinių bažnyčios bei vienuolyno. Po gaisro bažnyčios rekonstrukcijai vadovavo architektas J. K. Glaubicas, sudaręs sutartį su vienuolyno viršininke Joana Sibile Reitenovaite. Jo dėka bažnyčia įgavo tokį pavidalą, kokį regime šiandien.

Maždaug XVIII a. septintajame dešimtmetyje galutinai suformuojamas Šv. Kotrynos bažnyčios interjeras - vėlyvojo baroko šedevras (XIX a. būta tik nedidelių remontų). Vienuolyno planas sudėtingas, su įvairios konfigūracijos ir ploto kiemais. Vienuolyno kompleksą sudarė gyvenamieji ir ūkiniai pastatai, mokykla. Šalia vienuolyno vešėjo sodas (dabartinės S. Nėries gimnazijos sporto aikštelės vietoje). XVII a. pabaiga ir XVIII amžius - vienuolyno klestėjimo laikotarpis. XVII a. pabaigoje į vienuolyną įstojo LDK pakamario Jono Felikso Paco dukterys Sibilė ir Ona, atsinešusios stambius kraičius. 1700 m. J. F. Pacas surašė testamentą, kuriuo už vienuolyno fundatoriaus titulo suteikimą benediktinėms paliko didelį turtą. Sibilės Magdalenos Pacaitės, tapusios vienuolyno viršininke, iniciatyva 1705 m. įkuriama Dievo Apvaizdos brolija. Vienuolynas praturtėjo: rėmė knygų leidybą, kaupė biblioteką, kuri buvo viena iš didžiausių kongregacijoje (biblioteka išlikusi, saugoma Nacionalinėje M. Mažvydo bibliotekoje).

Šalia bažnyčios esanti rokoko stiliaus Dievo Apvaizdos koplyčia buvo pastatyta XVIII a. pradžioje. Prie šios koplyčios durų yra fundatorių Jurgio ir Elžbietos Valavičių paminklinė lenta. Kelių antkapių esama ir pačioje bažnyčioje. XIX amžius vienuolynui kaip ir visai katalikų bažnyčiai Lietuvoje buvo nepalankus. Atimtos žemės, uždrausta priimti mokines. 1812 metais prancūzai bažnyčioje buvo įrengę sandėlį, o vienuolyne – ligoninę. 1905 m. religinės tolerancijos sulaukė tik 5 senos benediktinės, todėl jaunų vienuolių atsikviesta iš Lenkijos. Palaipsniui vidinis vienuolyno gyvenimas sugrįžo į senas vėžes. Vienuolyno viršininkės Julijos Anzelmos Miličuvnos dėka atgautos kai kurios vienuolynui priklausiusios žemės, įkurta gimnazija-internatas. Paskutinis benediktinių vienuolyno gyvavimo puslapis buvo užverstas 1946 m., kai tarybų valdžia vienuolyną uždarė, ir dalis vienuolių pasitraukė į Lenkiją. Antrojo pasaulinio karo metu ir po jo bažnyčia ir vienuolynas smarkiai nukentėjo, dingo daug vertingų meno kūrinių.

Tarybiniais metais bažnyčia priklausė Vilniaus dailės muziejui, joje buvo įrengtas sandėlis, vienuolyno patalpose – įstaigos ir butai. Išlikę paveikslai saugomi Lietuvos dailės muziejuje. Paminklas priklauso Vilniaus Arkivyskupijos kurijai. Senasis benediktinių vienuolyno ansamblis lankytojus traukia puikia bažnyčios architektūra, įdomiu interjeru su išlikusiais altoriais, įspūdingu vienuolynu, kurio planinė struktūra - viena iš sudėtingiausių Vilniuje. 1994 m. pradėti restauravimo darbai. 1998 m. baigtos restauruoti abiejų bokštų viršutinės dalys (sutvarkyti kryžiai, apskardinimas, restauruoti lipdiniai).