Está situado en la Punta del Nao, en la parte norte de la playa de La Caleta, donde se supone que se hallaba en época fenicia el templo de Afrodita. Su construcción se plantea por Cristóbal de Rojas tras el saqueo anglo-holandés de 1596 y es uno de los mejores ejemplos de la ingeniería militar del momento.
En su origen Santa Catalina estaba gobernado por un castellano, que gozaba de autonomía respecto al corregidor de la ciudad. En la puerta principal una placa conmemora el inicio de las obras en 1598. Acabaron en 1621. Con la muralla de La Caleta terminada, el castillo había perdido parte de su importancia defensiva. En 1634 pasa al control del gobernador de Puntales y Matagorda, considerados ahora ambos enclaves mucho más relevantes que el castillo para el sistema defensivo de la Bahía de Cádiz. En 1693 se construyó una capilla dedicada a Santa Catalina de Alejandría y en 1769 Carlos III lo convirtió en prisión militar para reos de “condición superior o mayor carácter”. Allí estuvieron encarcelados varios líderes independentistas iberoamericanos.
Es uno de los principales baluartes de las defensas de Cádiz y, junto al castillo de San Sebastián, el principal punto de defensa ante un ataque a la ciudad desde el Atlántico. Su misión defensiva se completó a partir de 1621 con la construcción de la muralla de La Caleta, reforzada por los baluartes del Orejón (junto a la puerta de La Caleta) y las plataformas de San Pedro y San Pablo. También se prolongó la muralla al otro lado del castillo hasta el baluarte de Bonete.
La elección de este lugar es porque Rojas consideraba que así se impedirían nuevos intentos de desembarco y que también podría servir para socorrer a la ciudad en caso de asedio, ya que entonces el núcleo urbano quedaba a bastante distancia de La Caleta, con una amplia superficie sin construir. Rojas consideraba que con la Caleta protegida, podrían llegar barcos nocturnos con víveres y socorros defendidos desde el fuerte y desde allí también se podría atacar al enemigo que se instalara en tierra. Estas misiones solo se podrían cumplir si el fuerte tenía suficiente guarnición y cañones.
Su construcción recibió fuertes críticas dado que se le consideraba innecesario y costoso. Tiene planta en forma de estrella de cinco puntas. Rojas pensaba que las mejores formas eran aquellas que se aproximaban lo más posible al círculo, siendo éstas las más a propósito para las modernas fortificaciones, ni grandes ni pequeñas. En su frente oceánico presenta forma de estrella de tres puntas, en el terrestre tiene una muralla rectilínea con puerta de acceso en el centro flanqueada por dos semibaluartes. Tiene foso y la entrada se realizaba mediante puente levadizo. Hace ya años que el foso está tapado por sus dos extremos y no entra el agua de las mareas.
En el interior había edificaciones para tropa, almacenes y la casa del castellano. Destaca también un aljibe adornado con representaciones de barcos de la época. La capilla es de una nave con bóveda de cañón y una pequeña espadaña. Se usó como zona de enterramiento. Contaba con capacidad para un batallón y una amplia superficie de artillería. Su construcción es de piedra ostionera. En los edificios del interior se usa ladrillo en arcos y ventanas. Sirvió de modelo para otros fuertes americanos.
Desde 1991 no es usado por el ejército y ahora es lugar para actividades culturales. Excavaciones arqueológicas en el patio central han permitido encontrar dos factorías de salazón de época romana. Está declarado Bien de Interés Cultural.