En 1951, la firme d'architectes Crevier, Bélanger, Lemieux et Mercier dressa les plans de construction d'une chapelle provisoire pour desservir la paroisse Sainte-Catherine-de-Sienne. Douze ans plus tard, en 1963, débutait la construction de l'église, du monastère et de la salle paroissiale actuels par l'architecte montréalais Yves Bélanger (1909-1978) œuvrant alors seul.
Le monastère, abritant aussi les bureaux de la paroisse, est construit dans le prolongement de la façade de l'église, alors que la salle paroissiale et l'ancienne chapelle Saint-Jude se trouvent dans le prolongement de la nef de l'église, créant ainsi un plan en "L". Ce plan très étendu devait initialement avoir une forme triangulaire, semblable au monastère Saint-Albert-le-Grand de Montréal, l'œuvre majeure de la carrière d'Yves Bélanger. L'aile en diagonale devant refermer le plan de Sainte-Catherine-de-Sienne n'a jamais été construite, laissant ainsi l'ensemble inachevé. Les volumes du complexe sont fort simples, utilisant la longue toiture à pignon pour la nef de l'église et le toit plat pour les ailes secondaires rectangulaires.
L'architecte a utilisé plusieurs matériaux pour l'extérieur de l'ensemble Sainte-Catherine-de-Sienne: de la brique de couleur sable, un appareillage irrégulier de pierres ainsi qu'un revêtement de tôle ondulée. Quelques éléments sculpturaux dynamisent l'aspect longitudinal de la composition. La toiture de l'église est ponctuée de lucarnes en chatière générant de timides entrées de lumière dans la nef. La flèche qui s'élève généralement à l'avant de l'église, comme élément signal, se trouve à l'arrière de la nef, la rendant peu perceptible.
Le plan en " T " de l'église laisse place à une chapelle à gauche du chœur et aux bureaux de la paroisse à droite. Ceux-ci prennent place dans l'ancienne chapelle Saint-Jude récemment démantelée. Les bureaux se trouvaient anciennement dans le monastère des Dominicains mais une mise aux normes du bâtiment générait des coûts que la congrégation ne pouvait endosser. La solution retenue fut alors de déménager les bureaux dans l'église, entraînant ainsi la perte d'une très belle chapelle.
En somme, la simplicité qui se dégage de l'ensemble est le reflet de ce renouveau architectural qui tentait de s'installer à Trois-Rivières dans les années 1960. Si l'église n'est pas exceptionnelle pour sa grande originalité, l'ensemble, lui, est toutefois l'œuvre d'un architecte de son temps et en pleine possession de ses moyens. Les intérêts de Bélanger pour la géométrie et plus spécialement pour les formes triangulaires, pour les structures expressives ainsi que pour l'agencement des volumes extérieurs sont gages de la modernité de son œuvre.
