Op de plek waarvan vanaf de 3e eeuw werd aangenomen dat daar zich ooit het Bijbelse brandend braambos bevond, van waaruit God tot Mozes sprak, liet keizerin Helena in 337 een kapel oprichten. In de 6e eeuw voegde de Byzantijnse keizer Justinianus I een versterkt klooster toe, met hoge muren om de monniken en pelgrims tegen overvallen te beschermen. Sinds de Middeleeuwen is St. Catharina de patrones van het klooster. Catharina werd in de 4e eeuw vanwege haar christelijke geloof gedood. Volgens de legende werd haar lichaam door engelen weggevoerd. Haar stoffelijke resten werden 6 eeuwen later gevonden door monniken boven op de Katharinaberg.

De oudste vermelding van monastieke leven op de plek van het huidige klooster is van de non Egeria die erover schreef in een reisverslag opgesteld tussen 381 en 384. Samen met het klooster van Sint-Antonius is het 's werelds oudste nog gebruikte klooster.

In het jaar 2000 bezocht paus Johannes Paulus II dit klooster.

Sinds 2002 staat het Sint-Catharinagebied en daarmee ook het Katharinaklooster op de werelderfgoedlijst van UNESCO.

Het klooster vormt samen met het gebied eromheen de Autonome Orthodoxe Kerk van de Berg Sinaï die jurisdictioneel valt onder het Grieks-orthodox patriarchaat van Jeruzalem. Het klooster wordt door Griekse monniken bewoond. Het hoofd van deze Kerk en de hegoumen van het klooster is aartsbisschop Damianos I, die meestal in Caïro verblijft.