Храм построен на рубеже 18-19 вв. при теплой двухпрестольной трапезной 1787 г. Церковь расширялась в 1867 г. устройством западной паперти. Третий придел выстроен заново по проекту архитектора Н.А. Антонова. Престолы храма: Свмц. Екатерины, главный, на хорах отдельный престол Успения Богородицы. В трапезной части - преп. Сергия Радонежского (сев.), Николая Чудотворца (южн.). Над трапезной - храм первоверховных апостолов Петра и Павла. Храм является хорошим образцом московского классицизма. Верхний престол над трапезной вносит незначительные черты эклектизма.

Вместо первого деревянного храма св. вмч. Екатерины, существовавшего со времени основания обители (1658 г.), в 1679 году была освящена первая каменная церковь. В начале 1790-х годов при игумене Мелхиседеке был построен новый соборный храм и освящен во имя св. вмч. Екатерины в 1795 году. Храм обновлялся в 1837, 1844 и 1891-1894 годах. Паперть пристроена в 1867 году. Стенописи поновлялись в конце 1890-х годов.

В соборе было пять престолов: св. вмч. Екатерины, Успения Пресвятой Богородицы (на хорах), свт. Николая Чудотворца, прп. Сергия Радонежского, св. первоверховных апостолов Петра и Павла.

В XVIII – начале XX века в Екатерининском соборе был величественный пятиярусный резной иконостас, вызолоченный в 1855 году. В 1930-е годы интерьеры собора были уничтожены. В советский период собор был разорен, обезображен межэтажными перекрытиями, стенописи и иконостас уничтожены. Возрождение собора началось в 1993 году с расчистки перекрытий. В настоящее время продолжается восстановление внутренних интерьеров.

Временный трехъярусный иконостас установлен в Екатерининском соборе в 1993-1994 годах после расчистки межэтажных перекрытий. Постепенно иконы, изготовленные полиграфическим способом, были заменены образами, выполненными иконописцами обители.

Левый придел во имя преподобного Сергия Радонежского устроен в 1690-е годы на средства боярина Т.И. Стрешнева. Крыша над приделом была увенчана главой с железным крестом. Иконостас был одноярусным, с вызолоченными рамами и панелями. В XVIII-XIX веках строение и иконостас придела неоднократно поновлялись и золотились. В 1930-е годы убранство придела уничтожено. Придел во имя преподобного Сергия Радонежского возобновлен в середине 1990-х годов.  Правый придел Екатерининского собора устроен на средства князя Д.Ю. Трубецкого в 1763 году. Первоначально престол был освящен во имя святителя Дмитрия Ростовского. В 1860-е годы престол был перенесен в надвратный храм, что в колокольне, и придел заново освящен во имя святителя Николая Чудотворца. В 1930-е годы интерьер придела и иконостас уничтожили. Придел во имя святителя Николая Чудотворца возобновлен в середине 1990-х годов. В 2004-2005 годах установлен иконостас работы палехских мастеров.

Текст с официального сайта монастыря http://www.ekaterinamon.ru/index.php3?id=22

В писцовых книгах Приказа Большого дворца 1679 – 80 гг. по Московскому уезду написано: «к селу Ермолину Екатерининская березовая роща, мерою под той рощею земли 8 десятин с полудесятиною, а в роще церковь св. муч. Екатерины с кладбищем, по мере того кладбища полдесятины, да у рощи огород огорожен, по мере того огорода 5 десятин, в том огороде овощи садят Екатерининской рощи…».

11 октября 1679 г. великий государь Федор Алексеевич изволил с Москвы идти в село Коломенское, а из села Коломенского в Екатерининскую рощу к освящению церкви; а за ним, великим государем, бояре князья Василий Васильевич Голицын, Михаил Григорьевич Ромодановский, окольничие: Григорий Никифорович Сабакин, Иван Тимофеевич Кондырев, разрядный дьяк Федор Шекловитый.

По ружной книге 1699 г. в монастырь Екатерининской рощи годовой руги выдавалось из Приказа Большого дворца: строителю 17 руб., черному попу 15 руб., белому попу 9 руб., дьякону 10 руб., дьячку 5 руб., на просвиры 2 руб. … 2 сторожам, 2 поварам, хлебнику по 2 руб. 5 чел., портомонику 2 руб., итого в Екатерининскую рощу 115 руб. Им же ржи 98 чети, четь с полуосьминою пшеницы, конопель тож, четь с осьминою без четверика гороху. Отмечено: деньги и хлеб давать сполна для того, что за ним вотчин не написано.

«В дворцовой Екатерининской пустыни: церквей каменных одна; в ней три престола: соборная во имя великомученицы Екатерины, об одной главе, при ней два придела: преподобного Сергия и Димитрия митрополита Ростовского чудотворца, теплый, в нем печь изразщатая. Церковь и приделы покрыты тесом, а глава обита зеленою черепицею. Церковь с приделы мерою на 13, поперек на 8 саженях; колокольня над святыми воротами каменная об одной главе, на ней 7 колоколов, весом праздничный – 78, полиелейный – 30, повседневный – 25 пудов, а в прочих сколько весу – неизвестно; колокольня крыта тесом».

В ту же пустынь выдается из Главной Дворцовой канцелярии на свечи и на церковное вино денег 6 руб. 70 коп., на просфоры пшеницы 4 четверти, от Коллегии Экономии ладана по 6 фунтов. В Екатерининской пустыни находились: строитель иеромонах Пахомий из малороссиян, иеромонах Сергий, монахов 10, в числе их один в должности просфорника, трудников 6. Все они как монахи, так и трудники из великороссиян, рукоделий никаких не имеют. При той же пустыни бельцов 2 попа, диакон, дьячок, пономарь, 2 сторожа; в оной пустыни на пропитании 7 чел. отставных солдат, им выдается на пропитание каждому денег по 94 коп., хлеба ржи и крупы. Под Екатерининской пустынею, по писцовым дачам, земли 8 десятин, под кладбищем полдесятины, под огородом 5 десятин. Под попами церковнослужителями, по писцовым дачам, земли под усадьбами и выгоном 5 десятин, сена 3 десятины. Других угодий: лесов, озер, мельниц, пашенной земли, сенных покосов и вотчин никаких нет.

Холмогоров В. И., Холмогоров Г. И. «Исторические материалы о церквах и селах XVII – XVIII ст.». Выпуск 8, Пехрянская десятина Московского уезда. Москва, Университетская типография, Страстной бульвар, 1892 г.