En 1540 Carlos V mandó construir la torre junto a una ermita dedicada a Santa Catalina tras el desembarco de 13 naves turcas en 1562, las cuales fueron rechazadas por la milicia de Jerez, que acudió en ayuda.
Las obras de la torre se retrasaron y en 1586 la ciudad de Cádiz solicita al rey que se construyan las obras de este fuerte, que consideraba parte integrante de su propio sistema defensivo.
Fue costeada por el duque de Medinaceli, como preveía el régimen señorial. La construcción de las distintas torres debía costearse por los señores de la jurisdicción en la que se edificara cada una.
El pago del personal de vigilancia y mantenimiento se repartía entre los cabildos locales, los señores y otros beneficiarios como comerciantes de la carrera de Indias, pescadores, así como los moriscos o nuevos cristianos, que tenían que pagar un impuesto especial. Más tarde se añadió un impuesto sobre el pescado.
La torre levantada en estas fechas era de forma troncocónica, con dos bóvedas y preparada para montar varias piezas de artillería.
Ubicada frente a la de San Felipe en Cádiz, controlaba la boca de la bahía así como el acceso a El Puerto de Santa María. La gran distancia entre ambas limitó su capacidad defensiva durante los ataques de Drake en 1587 y Essex en 1596. Incorporada más tarde al castillo de Santa Catalina, las ruinas de la torre pueden verse en el interior de la plaza de armas del castillo.Es de las primeras defensas modernas fuera de Cádiz o La Isla. Reforzada antes del ataque de Wimbledon en 1625, su artillería permitió el traslado de víveres a Cádiz.
La boca de la bahía era difícil de defender desde Cádiz por su amplitud. Los barcos podían alojarse en ella e incluso avanzar hasta el caño de Sancti Petri, permaneciendo fuera del alcance de la artillería de Cádiz. La defensa de la bahía era imprescindible para evitar un asalto marítimo en el que los enemigos consiguieran pasar de largo la ciudad y, lejos del alcance de su artillería, desembarcar en el istmo, en El Puerto o Puerto Real, lugares y ciudades que estaban más desguarnecidas y desde donde el enemigo podría avanzar hacia el interior de la provincia.
Hornabeque es una fortificación exterior que se compone de dos medios baluartes trabados con una cortina. Sirve para lo mismo que las tenazas pero es más fuerte, por defender los flancos mutuamente sus caras y la cortina.
En terminología militar una tenaza es una construcción con uno o dos ángulos retirados, sin flancos, situada delante de la cortina.
Aljibe en el interior del Fuerte de Santa Catalina.
Afianzado el fuerte y ampliado a la forma definitiva, consta que en 1700 poseía 20 cañones de mediano calibre, comprendiendo la antigua torre y edificaciones posteriores.
No pudo impedir el desembarco anglo-holandés de 1702 ni su voladura. Otra vez reconstruido, el frente del mar se cerraba en forma casi semicircular. El de tierra, en hornabeque, contaba con foso, camino cubierto y plaza de armas.
Hornabeque es una fortificación exterior que se compone de dos medios baluartes trabados con una cortina. Sirve para lo mismo que las tenazas pero es más fuerte, por defender los flancos mutuamente sus caras y la cortina. En terminología militar una tenaza es una construcción con uno o dos ángulos retirados, sin flancos, situada delante de la cortina.
Ampliado por Sala, en 1765 estaba de nuevo en pleno uso con alojamiento para el gobernador, oficial de artillería y su tropa con 50 soldados y 12 caballos, almacén de pólvora, dos de pertrechos y un tinglado para enseres. Tenía 6 piezas de a doce y 8 de a treinta y seis, así como un destacamento de infantería y artillería para ésta y para las demás baterías de la zona. La muralla que protagoniza la playa del mismo nombre fue construida a mediados del siglo XVIII con objeto de proteger ese flanco del castillo.
Fue destruido el 26 de enero de 1810 para que los franceses no pudieran usarlo contra Cádiz durante el asedio. Los franceses intentaron repararlo sin éxito.
De nuevo fue ampliado y las ruinas ocupadas en 1824 por las tropas francesas del duque de Angulema debido al interés estratégico del lugar. Eran los Cien Mil Hijos de San Luis.
Formó parte de las defensas españolas durante la II Guerra Mundial por el temor de Franco a una invasión aliada. Abandonado, desaparecido el frente del mar y con la torre en el patio de armas parcialmente caída, se conservan parte del frente de tierra y el foso. Los lienzos de sus murallas se componen de material ciclópeo revestido por sillares de piedra ostionera, abatidos en parte por los temporales. Son la parte más reconocible del conjunto.
El trozo de muralla que da nombre a la playa, corresponde a un proyecto de 1759 para reforzar Santa Catalina con una nueva batería por el frente del mar y una larga muralla lateral. En los restos de ésta se puede apreciar el sistema constructivo: un muro de piedra separado del terreno y relleno posterior. No se conserva nada de la batería baja debido a la erosión del mar.