Esta obra de Caravaggio le fue encargada en Roma, casi con toda seguridad, por su primer protector el cardenal Francesco Maria del Monte. La figura de Santa Catalina destaca por su naturalismo y la modelo ha sido identificada con Fillide Melandroni, una célebre cortesana de la época. Vestida ricamente como corresponde a una princesa y arrodillada sobre un cojín, mira al espectador. Santa Catalina aparece con todos los atributos que aluden a su martirio: la rueda con los cuchillos, la espada con la que fue decapitada y la palma. La luz ilumina de forma dramática la escena creando unos claroscuros típicos del pintor. La interpretación que Caravaggio hizo de la luz y el volumen, presentes en este lienzo, tuvo una enorme repercusión tanto en Italia como en el resto de Europa.