Budowa świątyni rozpoczęła się w 1227 r., a w XIV i XV w. kościół został rozbudowany. Kościelna wieża powstała w 1450 r., jednak ostatecznie jej budowę ukończono w 1634 r., kiedy to po usunięciu z miasta Krzyżaków została podwyższona, a na jej zwieńczeniu umieszczono barokowy hełm wykonany przez Jakuba van den Blocke. W historii wieży najważniejszą datą jest rok 1738, kiedy to umieszczono w jej wnętrzu carillon. Kościół w 1555 r. został przejęty przez protestantów którym władali aż do 1945 roku, kiedy obiekt przeszedł w ręce zakonu Karmelitów.

3 lipca 1905 r. od uderzenia pioruna zapaliła się wieża kościoła. Płomienie zniszczyły całkowicie hełm, a spadające z góry płonące fragmenty spowodowały także podpalenie i częściowe zniszczenie dachu poniżej wieży. W pożarze uległ zniszczeniu carillion, świadkowie zapamiętali wielkie krople roztopionego metalu, nazwane „spiżowymi łzami św. Katarzyny”. Część z nich sprzedawano później w ramach zbiórki środków na odbudowę zniszczonego hełmu. Wieżę odbudowano i w 1910 r. zainstalowano nowy carillon, który w 1942 r. został zarekwirowany i przetopiony.

W marcu 1945 roku świątynia została doszczętnie zniszczona. Już po tzw. „wyzwoleniu” oddział żołnierzy z kanistrami z benzyną podpalił kościół zabijając broniącego świątyni pastora Friedricha Reimera. W 1989 r. stowarzyszenie w Bremie ufundowało 3 oktawy carillonu, a w 1998 r. miasto Gdańsk i sponsorzy prywatni ukończyli dzieło fundując czwartą oktawę i urządzenie do gry ręcznej.

22 maja 2006 r. doszło do kolejnego dużego pożaru kościoła, w wyniku którego zawalił się dach, który oparł się na stropie kościoła, dzięki czemu nie zajęło się wnętrze świątyni. Zagrożoną zawaleniem wieżę kościoła uratowano, tak samo jak większość zabytkowych przedmiotów, które policjanci i strażacy wynieśli z zalanego wodą kościoła do Ratusza i Muzeum Narodowego. Ocalał też carillon. Władze państwowe, miejskie i kościelne poinformowały, że niezależnie od zakresu zniszczeń kościół zostanie odbudowany.

W kościele mieści się Muzeum Zegarów Wieżowych – oddział Muzeum Historycznego Miasta Gdańska. Muzeum gromadzi i konserwuje mechanizmy zegarowe znaczące dla tego rzemiosła, które w miejscu swego przeznaczenia nie mogły już dłużej znaleźć odpowiednich warunków pracy. Wiele z nich zniszczyły wojny, pożary, w wielu przypadkach zmieniły się warunki w wieżach. Zgromadzona kolekcja nie jest może zupełna, ale jest reprezentatywna dla całego okresu rozwoju zegarmistrzostwa od XV do XX wieku. Oprócz niej, pracownicy Muzeum opiekują się szeregiem zabytkowych zegarów w miejscu ich pracy w całej Polsce. A od 2011 roku mają pod swoją opieką najdokładniejszy zegar na świecie, zegar pulsarowy.