Она занимает место, где ранее стоял Екатерининский собор, разрушенный в 1930 году.
Первоначально на этом участке в 1723 году была построена деревянная церковь во имя святой Екатерины, которая впоследствии сгорела в 1747 году. На её месте в 1758 году началось строительство каменного Екатерининского собора, завершённое в 1768 году. Собор являлся значимым религиозным и архитектурным объектом города до его сноса в 1930 году в ходе антирелигиозной кампании.
В 1991 году на предполагаемом месте алтаря бывшего собора был установлен памятный крест. В 1997 году, по инициативе группы верующих и с благословения епископа Екатеринбургского и Верхотурского Никона, было принято решение о строительстве часовни во имя святой великомученицы Екатерины. Финансирование осуществлялось благотворительным фондом «Институт истории и археологии». Строительство завершилось в 1998 году, и часовня была открыта к 275-летию Екатеринбурга.
Архитектурно часовня представляет собой каменное здание с пятью куполами, выполненное в русском стиле. В 2003 году в часовне была размещена капсула с землёй с места захоронения Василия Никитича Татищева, одного из основателей Екатеринбурга.
С момента открытия в часовне регулярно проводятся богослужения. В 2015 году был установлен деревянный иконостас с образами Спасителя и Богородицы. В декабре 2023 года в часовне был установлен ковчег с мощами святой Екатерины, переданный в дар от главы Республики Крым.
