Kościół swoją tradycją nawiązuje do wcześniejszego kościoła św. Katarzyny (właściwie kaplicy), znajdującego się u wylotu ulicy wiodącej od Rynku Nowomiejskiego w kierunku wschodnim. Został on zbudowany ok. 1360 roku. Była to najmniej okazała świątynia w Toruniu. Podlegał on kościołowi św. Trójcy. Przy kościele znajdował się cmentarz. Kościół rozebrano na zlecenie władz pruskich w 1814 roku.

Budowę obecnego kościoła rozpoczęto w 1894 roku. Zezwolenie wydano 20 czerwca 1894 roku. Pierwotnie służył on protestanckim żołnierzom. Do czasu oddania świątyni do użytku żołnierze wyznania protestanckiego modlili się w zborze ewangelickim na Starym Rynku. Uroczyste poświęcenie kościoła miało miejsce 21 grudnia 1897 roku. Na wydarzeniu był obecny cesarz Wilhelm II Hohenzollern. Kościół zaprojektowano w pracowni nadradcy budowlanego Schönhalsa. Kościół garnizonowy postawiono w miejscu, gdzie mieściła się kaplica św. Katarzyny, rozebrana w 1814 roku.

Projekt zakładał budowę jednonawowej świątyni. Miała ona być zamknięta pięciobocznym prezbiterium. Na planie znalazła się zakrystia i sala, gdzie miano przygotowywać dzieci do konfirmacji. W świątyni miało mieścić się 1600 miejsc siedzących. Ławki dostarczyła nieznana z nazwy firma z Hanoweru. W kościele znalazły się ponadto: organy firmy Sauera z Frankfurtu, witraże z wizerunkami ewangelistów, dekorację malarskie na sklepieniach w postaci Jezusa Chrystusa siedzącego na łuku tęczowym obok Mojżesza i św. Jana (według projektu Wilhelma Sieversa z Hanoweru). Wnętrza świątyni ozdobiły również herby zakonu krzyżackiego. Ich powstanie zaproponowało Ministerstwo Wojny. Na życzenie cesarza szafa organowa została udekorowana malowanymi motywami przypominającymi intarsję. Naczynia liturgiczne pochodzą z pracowni prof. Becka z Hernnhutu. Dzwony ważące 2755 kg dostarczyła firma Rinckera z Sinn. Założono piece i ogrzewanie gazowe.

Po 1920 roku świątynię przejęło Wojsko Polskie. W lipcu 1921 roku kościół konsekrował biskup polowy Stanisław Gall. W 1924 roku wykonano nową polichromię i dekorację rzeźbiarską we wnętrzu kościoła. Na mocy porozumienia między Stolicą Apostolską a Rzecząpospolitą Polską, w 1925 roku powstała toruńska parafia św. Katarzyny. Od 1928 roku w kościele mieściła się siedziba dekanatu Dowództwa Okręgu Korpusu Nr 8, obejmującego osiem parafii.

W latach 1970-1984 przeprowadzono generalny remont kościoła.