Первые лютеране, поселившиеся на Васильевском острове, посещали церковь при доме Крюйса. Но перебираться на другой берег Невы было неудобно. Поэтому было решено организовать лютеранский приход на самом острове. Сначала для этого использовался небольшой дом, выкупленный у православного священника. Одну половину дома занял пастор Отто Трефурт с семьёй, а в другой начались богослужения. Датой основания лютеранской общины на Васильевском острове считается 28 июня 1728 года.
Со временем имеющегося помещения прихожанам стало не хватать. Тогда совет общины принял решение о строительстве нового большого храма. Участок для его сооружения церкви на углу Большого проспекта и 1-й линии Васильевского острова был выделен в 1747 году. Архитектором церкви стал член церковного совета Юрий Матвеевич Фельтен.
Деньги на возведение храма собирали не только петербуржцы, но и лютеране других общин России, Дании, Германии. Церковь была заложена в 1768 году. Освятили её 26 января 1771 года во имя святой Екатерины в благодарность императрице Екатерине II, которая пожертвовала приходу большую сумму денег и всячески помогала строительству. До этого церковь называли попросту "островной".
Здание лютеранской церкви святой Екатерины характерно для творчества Фельтена. Его облик напоминает здание Армянской церкви на Невском проспекте, построенное им же. В 1783-1784 годах рядом был построен дом пастора (1-я линия ВО, 20/Б). В 1807-1809 годах построен жилой церковный дом (1-я линия ВО, 20/А).
Церковный зал изначально был поделен колоннами на три нефа. В алтаре висели корпии картин Рубенса "Тайная вечеря" и Ванлоо "Воскресение". На стенах висели полотна Гриммеля "Искушение Адама" и "Распятие".
В 1852 году в церковном зале был установлен орган работы мастера Г. Метцеля, привезённый из Регензбурга. В 1859 году архитектором В. Я. Лангвагеном перестраивался церковный зал, по сторонам церкви заменили металлическую ограду на кирпичную. В конце XIX века церковный зал оборудовали хорами, в нём установили позолоченные статуи Веры и Любви, мраморную статую Спасителя работы скульптора Бока. Тогда же здесь появился новый большой орган на 48 регистров.
В 1902-1903 годах церковь перестраивали по проекту Л. Х. Машнера. К зданию по бокам от портика пристроили дополнительные помещения с лестницами. Сюда же были перемещены статуи апостолов Петра и Павла, которые изначально стояли в нишах по бокам храма.
В 1930-х годах храм был закрыт, здание передали клубу горняков. В 1970-х годах здание церкви занимал филиал института "Гидропроект", а в 1980-х годах здесь работала студия звукозаписи "Мелодия".
На средства студии звукозаписи в 1982-1988 годах проводилась реставрация фасадов и церковного зала. В 1990 году здание возвращено церкви, в 1992 году передано лютеранской общине. Вместе с тем, студия звукозаписи продолжает арендовать помещение. По договору она покинет храм только после того, как найдёт другое помещение с достойной акустикой. В 1995 году над куполом поставили новый крест. В 1999 году здесь смонтирован новый орган, самый большой механический орган в Санкт-Петербурге.
