La vie mystique de Catherine est le cœur battant de cette basilique. Une grande partie de son parcours spirituel s'est déroulée ici, et sa relique, la tête momifiée, repose dans sa chapelle. Sa tête revint à Sienne de manière remarquable. En 1385, son confesseur Raymond informa le Consistoire de la République de Sienne que la tête se trouvait dans la ville. Une procession solennelle partit alors de l'église de San Lazzaro, hors de la porte Romaine, et se dirigea vers cette basilique. La relique fut placée dans un buste en cuivre, aujourd'hui conservé dans une vitrine à droite de l'entrée de la chapelle. L'art de ce lieu suit son histoire. La fresque d'Andrea Vanni représentant la sainte est considérée comme un portrait fidèle de la sainte siennoise, car Vanni était l'un de ses disciples. Dans la chapelle des Voûtes est accroché un tableau représentant le moment solennel du 29 juin 1461, lorsque le pape Pie II, Enea Silvio Piccolomini de Sienne, bénit son neveu François Piccolomini, archevêque de Sienne, après lui avoir remis la bulle pontificale de canonisation. Le tableau fut commandé par la famille Piccolomini pour leur autel de la basilique de San Francesco et transféré ici en 1890. Le Sodoma peignit en 1526 deux scènes célèbres près de l'autel : l'Extase et l'Évanouissement de sainte Catherine. Ailleurs, recherchez l'Adoration des bergers de Francesco di Giorgio, l'une des rares peintures d'un artiste plus connu comme architecte. Dans le transept gauche, une chapelle abrite la Maestà de Guido da Siena, maître de Duccio di Buoninsegna.