La santa se presenta de manera frontal, revelando un contraposto con su cuerpo en forma de zigzag. Comienza con un giro del cuello hacia la izquierda, hombros hacia la derecha y piernas de nuevo hacia la izquierda, aunque de una manera más disimulada por los amplios ropajes que la cubren. Muestra un aspecto juvenil, con pelo largo peinado por medio de raya al medio y caído en mechones ondulados a ambos lados del pecho, enmarcando la cara. Sus ojos mantienen una mirada fija hacia el suelo, con rostro almendrado y ancha frente abultada. Posee en sus manos dos elementos iconográficos que la singularizan: por un lado, la espada en su mano derecha que simboliza el martirio que sufrió al morir decapitada y, por el otro, en la izquierda, un libro abierto que alude a su sabiduría. A los pies aparece representado en un busto el emperador Maximino II, su perseguidor, que mira al fiel en un tamaño muy inferior respecto al de la santa. El rostro de este añadido es grotesco, formado por barba, bigote y melena con un gran tocado a modo de bonete con una corona incrustada que representa su alto rango. Sus rasgos, algo deformes y a veces caricaturescos, son tradicionalmente asignados a esbirros, verdugos y personajes secundarios de la escultura nórdica de la época.

Los ropajes de santa Catalina son propios de la cronología de la escultura, con saya de talle alto y ajustada en el pecho. Porta también manto que se recoge en los antebrazos y cruza al frente. Aunque el estofado corresponde a la intervención de Bernardo Manuel de Silva, el tallado sí conserva su aspecto primigenio en lo relativo a forma, volumen y disposición. Destacan igualmente dos piezas de orfebrería que aparecen talladas en sus ropajes: el broche cuatrilobulado sobre el pecho y la cinta de la cadera con decoración de círculos consecutivos.

Muestra grandes similitudes, especialmente en las facciones de su rostro y en lo prominente de su frente, con la imagen de la Virgen en la Encarnación (APB-LP-E-011.1), conservada también en la capital palmera. Pese a ello, De Coone propuso adscribirla a una imprecisa escuela hispano-flamenca, planteamiento que no ha tenido repercusión posterior.