La importancia de esta iglesia y la razón de su existencia están en la presencia del crucifijo de madera que dió los estigmas a Santa Catalina (del griego stigma: marca), es decir las llagas inflijidas a Cristo durante la crucifixión.
El acontecimiento milagroso tuvo lugar en Pisa, donde la Santa fue en 1375, a petición del Papa Gregorio XI, con la misión de convencer el Gobierno de la ciudad de no unirse a la liga antipapista. En la Legenda Major, Raimondo da Capua narra que el 1 de Abril de 1375, mientras Catalina estaba en oración arrodillada en la iglesia de Santa Cristina, vió descender del crucifijo delante de ella, cinco rayos de color rojo sangre directos a sus manos, a los pies y al corazón. Ella pidió a Dios que los estigmas fuesen invisibles y, antes que los rayos la alcanzasen, cambiaron de color y se trasformaron en luz resplandeciente. Quedaron visibles sólo para la Santa durante toda su vida, hasta que aparecieron milagrosamente al momento de su muerte. La validez de los estigmas de Catalina fue reconocida uficialmente en 1623 por Urbano VIII, después de una controversia durada unos dos siglos.
Como para San Francisco, que ha sido el primer Santo en recibir los estigmas, también para Catalina el episodio marcó la cumbre de su camino espiritual y representó la identificación con Jesucristo: Catalina llegó a ser en todo conforme al Señor crucifijo y, como Él, ardió del mismo deseo de salvación de los hombres. El hecho de pedir la invisibilidad de los estigmas responde al rechazo de espectacularidad del milagro, de acuerdo con la extraordinaria humildad que caracterizó toda su existencia.
Muerta Santa Catalina, los habitantes de Siena desearon tener aquel crucifijo que la había convertido en perfecto icono del amor de Cristo y, después de muchos intentos, en 1565, la Cofradía dedicada a la Santa lo consiguió, lo trajo a Siena y lo colocó en el Oratorio de la Cocina. Con el pasar del tiempo, fue evidente la necesidad de ampliar el ambiente para favorecer la veneración de la Santa. El único disponible era el espacio situado frente al Oratorio de la Cocina, considerado desde siempre el huerto de la familia Benincasa. Fue en este lugar que, entre 1614 y 1623, fue edificada en formas barrocas la Iglesia del Crucifijo, cuya decoración continuó por más de un siglo.
El crucifijo, una tabla pintada de escuela pisana de final de siglo XIII, fue colocado en el centro del altar mayor el 21 de Mayo de 1623, después de una solemne procesión por los principales lugares de culto de la ciudad. Está enmarcado entre dos tablas a modo de tríptico, donde han sido representados Santa Catalina y San Jerónimo penitente, ambas pinturas del senese Bartolomeo Neroni, llamado el Riccio.
Las pinturas colocadas en las paredes de la iglesia ilustran momentos significativos de la vida de la Santa, en particular, mencionan sus extraordinarios éxitos políticos a beneficio de la Iglesia, como haber devuelto a Roma la sede papal, poniendo fin al 'exilio de Aviñón' (1308-1377), y haber restablecido la paz entre Florencia y el Estado Pontificio, que desde hacía tiempo estaban en guerra. La labor excepcional de la Santa, intuida por sus contemporáneos y comprendida a lo largo de los siglos, nos muestra las capacidades humanas de una simple mujer, casi analfabeta, que supo escuchar la voz de Dios y al que consagró generosamente su propia existencia.
Tres de las cuatro grandes telas situadas en la nave de la iglesia están dedicadas a este aspecto de su vida. La primera pintura, entrando a la derecha, representa el Regreso del Papa Gregorio XI a Roma del pintor Niccolò Franchini fechada 1769, seguida por la tela Catalina que exhorta a Gregorio XI a regresar a Roma del boloñés Alessandro Calvi, llamado el Calvino. En la pared de enfrente, iniciando por la entrada vemos Santa Catalina acometida por soldados florentinos, pintura de Galgano Perpignani de 1765, que recuerda uno de los momentos de la obra de pacificación entre Florencia y el Papado. La cuarta tela, realizada por Liborio Guerrini en 1777, representa La limosna de Catalina: la Santa, rodeada por los pobres, distribuye el pan. En realidad, la Legenda Major narra que ella daba las limosnas de noche, dejándolas delante de las puertas de las familias necesitadas, porque, como enseña el Evangelio, la limosna hay que darla a escondidas y no poner en evidencia a quién la practica.
Las pinturas de los dos altares del transepto representan, el de la derecha, otra vez Santa Catalina delante de Gregorio XI a Aviñón, obra del siglo XVIII de Sebastiano Conca, y, el de la izquierda, La Virgen acoge a Santa Catalina en el Paraíso y la presenta a Jesucristo, tela realizada por Rutilio y Domingo Manetti en 1638. En esta pintura Santa Catalina está representada de manera inusual: lleva el hábito blanco pero sin el manto negro y en la cabeza una triple corona. Un episodio de la Legenda Major narra que, una mujer llamada Semia, recibido un milagro de Catalina, había soñado a la Santa en el Paraíso y sobre la cabeza llevaba tres coronas, una de oro, otra de oro y plata con reflejos rojos y la tercera de oro con piedras preciosas – que identifica la triple corona aureola (o corona aureola accidentalis), símbolo de virginidad, martirio y doctrina. La pintura, hecha pocos años después del reconocimiento de los estigmas, debe considerarse como una de las primeras representaciones en tela de la glorificación de la Santa.
En la pared izquierda de este mismo transepto, está colocado el estandarte con Santa Catalina que recibe los estigmas del Crucifijo, que la Cofradía dedicada a la Santa encargó a Rutilio Manetti en 1630. Junto al altar, en una pequeña hornacina dentro de un relicario, se conserva un fragmento de la escápula de la Santa.
A los lados del presbiterio, dos pinturas de Giuseppe Nicola Nasini: a la izquierda, El éxtasis de Santa Catalina y a la derecha, La Santa que escribe inspirada por San Juan Evangelista y Santo Tomás de Aquino, el teólogo dominico que, con sus enseñanzas, ha inspirado la obra de la Santa. Los frescos de la cúpula y de las bóvedas, que representan la Glorificación y exaltación de Catalina, en los que ella es acogida en Paraíso y participa a la Gloria celestial, han sido realizados por Nicola Nasini entre 1701 y 1703.