Находится с северной стороны Золотой Царицыной палаты. Примерно на этом месте с XIV века стояла церковь св. Евдокии, построенная в честь своей святой великой княгиней Евдокией, супругой св. Дмитрия Донского. После того как неоднократно возобновлявшийся деревянный храм в очередной раз сгорел, царь Михаил Федорович в 1627 году решил построить на его месте храм в честь небесной покровительницы своей супруги царицы Евдокии Лукьяновны (архитектор — англичанин Джон Талер).
При Алексее Михайловиче храм переосвятили в честь св. Екатерины, а Евдокиинский престол перенесли в церковь, построенную в середине XVII века над прежней (в 1681 году ее в свою очередь переосвятили в честь Воскресения Словущего). По преданию, в 1659 году, когда царь был на соколиной охоте (примерно в 30 км от Москвы, в районе современного Подольска), ему во сне явилась св. Екатерина и возвестила о благополучном рождении дочери у его супруги Марии Ильиничны. Царь, вернувшись в Москву, увидел, что это сбылось, и назвал новорожденную Екатериной. На том месте, где произошло явление святой великомученицы, Алексей Михайлович основал Екатерининскую пустынь (обитель, закрытая после революции, недавно возобновлена).
Храм св. Екатерины был домашней церковью цариц и царевен. Здесь же женщины из царской семьи слушали так называемые очистительные молитвы после родов и во время постов. Алексей Михайлович и сам любил этот храм, где крестил и своих детей (царевича Симеона, царевен Марию и Феодосию).
Церковь не раз подвергалась пожарам. Один из них, в 1737 году, почти полностью уничтожил древнее убранство Екатерининского храма. В конце XVII века вплотную к нему примыкали хоромы, где жил молодой царь Петр I. Сохранившийся до наших дней интерьер храма был создан в 1840-х годах, когда при Николае I велось строительство Большого Кремлевского Дворца. Тогда же был создан белый с золоченными деталями иконостас. Вставки из разноцветного стекла имитируют драгоценные камни.
К середине XIX века относится и большинство икон. На престольный праздник (24 ноября старого стиля) в церковь приходило множество именинниц.
В иконостасе чтимая икона св. Екатерины стоит уже без драгоценного венца, осыпанного изумрудами, алмазами и яхонтами. Дар императрицы Екатерины II, этот венец теперь хранится в Оружейной палате.