L’importance de l’église est due à la présence du crucifix en bois, par lequel Sainte Catherine reçut les stigmates (du grec stigma: marque), c’est à dire des plaies semblables à celles que Jésus reçut durant la crucifixion.
L’évènement miraculeux se déroula à Pise où la Sainte s’était rendue en 1375, à la demande du Pape Grégoire XI. Elle avait été chargée de convaincre les Seigneurs de la ville à ne pas adhérer à la ligue anti-pape. Dans la Légende Majeure, Raymond de Capoue raconte que le 1er Avril de la même année, pendant qu’elle priait dans l’église de Sainte Christine, Catherine vit descendre du crucifix devant lequel elle était agenouillée, cinq rayons de couleur rouge sang qui touchèrent ses mains, ses pieds et son coeur. Elle demanda tout de suite à Dieu que les stigmates soient rendues invisibles et avant que les rayons ne l’atteignent, leur couleur changea et ils devinrent resplendissants de lumière. Pendant tout le reste de sa vie, seule la Sainte put les voir. Seulement au moment de sa mort elles furent visibles au commun des mortels. C’est en 1623 qu’Urbain XIII reconnut l’authenticité des stigmates de Catherine, après deux siècles de disputes internes.
Comme c’était le cas pour Saint François d’Assise qui fut le premier Saint à recevoir les stigmates, cette expérience fut l’apogée de son chemin spirituel et représente son identification à Jésus-Christ: Catherine devient pareil au Seigneur crucifié et comme lui, elle brûle du même désir de sauver les hommes. La volonté de ne pas faire voir les stigmates est la démonstration de son refus de transformer en spectacle cet événement miraculeux; ce qu’explique l’humilité qui caractérise tout son existence.
Au lendemain de la mort de Catherine, les siennois désiraient posséder le crucifix qui l’avait rendue parfaite icône de l’amour du Christ; après plusieurs tentatives, la Confraternité à elle dédiée réussit dans l’entreprise et en 1565 la croix en bois fut transportée à Sienne et plaçée dans l’Oratoire de la Cuisine. Toutefois, avec le temps, on commença à penser à un lieu plus adapté à la vénération. L’unique espace disponibile qui se trouvait devant l’oratoire était ce qu’on pensait être le jardin de la famille Benincasa. Entre 1614 et 1623 l’Église du Crucifix fut construite en style baroque. On poursuivit sa décoration pendant plus d’un siècle.
On peut dater le crucifix, de l’école de Pise, aux alentours de la fin du XIII ème siècle. Il fut plaçé au centre de l’autel majeur, le 21 Mai 1623, après une procession solennelle qui passa dans les lieux de culte les plus importants de la ville. Il est enfermé dans un cadre à deux volets, à l’intérieur desquels sont représentés Sainte Catherine et Saint Jérôme pénitent, tout les deux oeuvre du siennois Bartolomeo Neroni, surnommé le “Riccio”.
Les nombreuses peintures qui décorent les parois de l’église parcourent des moments significatifs de la vie de Catherine, en particulier les résultats extraordinaires qu’elle obtint sur le plan politique au bénéfice de l’Eglise; entre autres, avoir réussi à faire revenir le Pape à Rome, mettant fin à ce qu’on appelle 'la captivité avignonaise' (1308-1377) et avoir rétabli la paix entre Florence et l’État pontifical, depuis longtemps en guerre. L’exception des actes de la Sainte, ressentie par ses contemporains et pleinement comprise au cours des siècles, montre de quoi est capable une créature humaine, femme et presque analfabète, quand elle sait écouter la voix de Dieu, en lui consacrant sa propre existence.
Trois des quatre grandes toiles qui occupent la nef, sont dédiées à cet aspect de la vie de Catherine. A l’entrée, le premier tableau de la paroi de droite représente le Retour du Pape Grégoire XI à Rome, oeuvre du peintre Niccolò Franchini (1769), à côté, le tableau de Catherine qui exhorte Grégoire XI à revenir à Rome, exécuté par le bolognais Alessandro Calvi, surnommé le 'Sordino'. Sur la paroi opposée, nous trouvons Sainte Catherine assaillie par les soldats florentins, oeuvre réalisée par Galgano Perpignani en 1765. Elle évoque un des moments du travail de pacification entre Florence et la Papauté. La quatrième toile, exécutée par Liborio Guerrini en 1777, illustre l’Aumône de Catherine, entourée de pauvres. Elle leur distribue du pain. En réalité, dans la Légende Majeure il est raconté qu’elle avait l’habitude de faire l’aumône la nuit, en la laissant devant la porte des familles indigentes. Elle agissait selon l’enseignement des Evangiles, dans lesquels il est écrit que l’aumône doit être cachée et que la personne qui la pratique ne doit pas se montrer.
Les peintures au dessus des deux autels sur les côtés du transept représente, à droite, à nouveau Sainte Catherine devant Grégoire XI en Avignon, oeuvre du XVIIIème siècle de Sebastiano Conca, et à gauche Sainte Catherine accueillie au Paradis par la Madone et présentée à Jésus-Christ, tableau réalisé par Rutilio et Domenico Manetti en 1638. Sainte Catherine est peinte selon une iconographie inhabituelle; elle porte le robe blanche mais sans le manteau noir, et sur la tête une triple couronne. Cette dernière nous renvoie à un épisode de la Légende Majeur: une femme qui s’appelait Semia, après avoir reçu un miracle de Catherine, avait rêvé de la Sainte; celle-ci portait trois couronnes sur la tête – une en or, une en or et en argent avec des reflets rouges et une autre en or avec des pierres précieuses – à identifier avec la fameuse triple couronne auréole (ou corona aureola accidentalis) symbole de verginité, martyr et doctrine. Le tableau, réalisé seulement quelques années après l’identification des stigmates peut être considéré comme une des premières représentations sur toile de la glorification de la Sainte.
Toujours dans le transept gauche, sur la paroi de gauche, s’élève la bannière peinte par Rutilio Manetti en 1630, représentant Sainte Catherine recevant les stigmates du Crucifix, sur commande de la Confraternité de la Sainte. A côté de l’autel, s’ouvre une niche à l’intérieur de laquelle repose un reliquaire dans lequel est renfermé un fragment de son omoplate.
Sur les côtés du presbitaire se trouvent deux peintures de Giuseppe Nicola Nasini, représentant à gauche, l’Extase de Sainte Catherine et à droite, Sainte Catherine écrivant, inspirée par Saint Jean Evangéliste et par Saint Thomas d’Aquin, le théologue dominicain dont les enseignements ont nourri l’oeuvre de la Sainte. Le même Nasini a peint les fresques de la coupole et des voûtes: la Glorification et l’Exaltation de Catherine, réalisés entre 1701 et 1703. Elle est accueillie au Paradis et participe de la Gloire céleste.