Другое её название — Львовская ротонда, в честь зодчего. Храм был построен в качестве дворцовой церкви Путевого дворца императрицы Екатерины II, но богослужения здесь проводились редко.
Церковь выполнена в распространенной в конце XVIII века форме – в виде ротонды в формах классицизма, но при этом с колоннадой, ограниченной по периметру выступающей алтарной частью. Отличается гармоничными формами, стройными пропорциями, изящными деталями.
Построенная «на казенный счет» церковь была приписана к Троицкому собору, была бесприходной, содержалась в основном на частные пожертвования.
В 1826г. в церкви Святой Екатерины во время проезда траурного кортежа с юга России в столицу на одну ночь был установлен гроб с телом умершего в Таганроге императора Александра 1.
Памятник значительным перестройкам не подвергался. В XIX веке имели место 2–3 ремонта, существенно не исказившие первоначальный облик храма. К началу реставрационных работ (1956 г) церковь находилась в плохом состоянии: частично утрачено деревянное перекрытие над галереей, основательно повреждены пьедесталы, базы и нижние части колонн, частично утрачен декор фасадов, отсутствовали заполнения оконных проемов и т.д. Памятник реставрирован на первоначальную дату (XVIII в.)
От алтаря сада открывается прекрасный вид на Валдайское озеро, обширное и величественное, на его живописные лесистые острова и на обитель Иверскую.
Экспозиция музея колоколов открыта в июне 1995 г.