Die Kirche wurde ab 1226 von den Dominikanern im Auftrag der Seneser Familie Malavolti erbaut, kurz nachdem der heilige Domingo de Guzmán die Stadt besucht hatte (um 1215). Zum Bau schenkten die Malavolti dem Dominikaner Gualtiero am 24. März 1226 Grundstücke außerhalb der Stadtmauern am Campo Regio. Von 1246 bis etwa 1300 entstand das Langhaus. Die für das Querhaus verwendeten Steine stammen von dem Stadtturm der Grafen d’Elci (Panocchieschi), der 1338 im Terzo di Camollia einstürzte.[1] Am 25. Mai 1352 fand in San Domenico die Beisetzung des Guidoriccio da Fogliano statt. Die Bezeichnung Basilica Cateriniana bezieht sich auf Katharina von Siena, eine dominikanische Heilige. Nach dem Tod Katharinas 1380 in Rom brachte Raimund von Capua 1383 das Haupt und einen Finger der Heiligen zurück nach Siena, die sich nun in San Domenico befinden.

Im 14. Jahrhundert wurde die Kirche erweitert. So entstand von 1417 bis 1420 ein zweites Dormitorium. 1430 wurde der Kirchenbau in den Stadtmauerring von Siena einbezogen. Der Campanile wurde von 1490 bis 1517 errichtet, die Glocke aber bereits 1513 angebracht.[1] 1307, 1443 und 1531 zogen Brände die Kirche in Mitleidenschaft. Der Brand vom 4. Dezember 1531 verschonte die Reliquien der hl. Katharina, zerstörte aber die des sel. Ambrogio Sansedonis[2], dessen Kapelle auf Kosten der Stadt durch Frate Magio 1287 entstand.[1] Die Restaurierungsarbeiten nach dem Brand von 1531 wurden von Baldassare Peruzzi geleitet.[3]

Die Besetzung der Kirche durch die spanischen Milizen um Diego Hurtado de Mendoza (1503–1575)[4] für Karl V. 1548–1552 führte ebenfalls zu Beschädigungen, da sie das Gotteshaus zur Festung ausbauten und hier ihr Lager aufschlugen.[5] Die Kapelle der Verstorbenen der deutschen Nation entstand 1570, sie war vorher der heiligen Barbara geweiht. Acht Jahre später fand eine Konsekration durch den Seneser Erzbischof Francesco Bandini statt, eine weitere Neukonsekration am 5. Juni 1647 durch den Seneser Erzbischof Ascanio II. Piccolomini. Wegen der häufigen Blitzeinschläge am Campanile wurde der Turmhelm 1694 abgetragen. Zudem wurde der Campanile 1704 restauriert.[1] Am 26. Mai 1798 richtete ein Erdbeben erhebliche Schäden an der Kirche an. Durch diese musste der Campanile erheblich verkürzt werden.[6] Die obere Klangarkade wurde 1802 abgetragen. Das Gutachten zum Restaurierungsbedarf von 1888 stammt von Giuseppe Partini. Papst Pius XI. erhob die Kirche 1927 zur Basilica minor, seit 1955 ist sie zudem Monumento nazionale (Nationalmonument).[1] Von 1941 bis 1962 wurde die Kirche grundsaniert und renoviert und im Zuge dessen vom Erzbischof Ismaele Mario Castellano erneut konsekriert.[1]