Bentuk bangunan gereja ini merupakan tiruan gereja Katolik pertama di Indonesia, yaitu Gereja Santa Catharina di Surabaya. Nama Chatarina diambil dari nama tokoh suci perempuan yang mengabdikan seluruh hidupnya untuk mempertahankan keyakinan dan meninggal sebagai martir karena ketaatannya terhadap Tuhan Yesus. Gaya arsitekturnya dipengaruhi gaya Roma kuno, tetapi atapnya memiliki ciri khas bangunan tradisional Jawa; tidak memiliki hiasan dekoratif, hanya jendela yang terbuat dari kaca diffuse bergambar salib. Garis garis yang berkaitan dengan struktur atap mengesankan pengaruh Roma tersebut.
Kegiatan misa dilaksanakan setiap hari Minggu sebanyak dua kali dan pada hari-hari besar, seperti perayaan Minggu Palma, Kamis Putih, Jumat Agung, Minggu Paskah dan Natal. Umat yang mengikuti misa terdiri atas karyawan TMII, masyarakat sekitar, dan pengunjung. Gereja juga terbuka untuk umum, terutama bagi mereka yang ingin melaksanakan pemberkatan pernikahan dapat dilanjutkan dengan resepsi di berbagai tempat di lingkungan TMII, baik di dalam gedung (in door) maupun di luar gedung (out door).
Eksterior dan fasad gereja
Interior dan panti umat gereja
Jendela Kaca Patri
Di dalam bangunan gereja, dapat terlihat dengan jelas ada enam panel jendela kaca patri. Dua dari antara enam panel tersebut menggambarkan Yesus Kristus dan Bunda Maria, sedang lainnya merupakan panel-panel pola dekoratif. Sementara itu, tepat di belakang Altar tempat pastor memimpin perayaan Misa, terdapat sebuah panel jendela kaca patri besar, menggambarkan peristiwa penyaliban dan kematian Yesus, diapit oleh dua Malaikat.
Altar gereja ini terbuat dari kayu yang diukir. Ukirannya menggambarkan peristiwa alkitabiah saat Yesus merayakan Perjamuan Malam Terakhir bersama para murid-Nya, di mana Ia menetapkan Ekaristi. Di sebelah panti imam, terdapat sebuah panti paduan suara.
Secara keseluruhan rumah ibadah ini terdiri empat bangunan, yakni bangunan utama (gereja), dua buah aula dan sebuah pastoran. Bangunan utama untuk ruang umat dan ruang pengampunan dosa, di depannya terdapat menara lengkap dengan lonceng gereja dan puncaknya bersalib; sedang pastoran sekaligus menjadi ruang perpustakaan, kantor, ruang pastor, dan toilet. Jika sedang ada misa, ruang perpustakaan digunakan untuk Sekolah Minggu bagi anak-anak di bawah umur 10 tahun. Dua buah aula berkanopi di kedua sisi gereja digunakan oleh umat untuk mengikuti perayaan Misa jika kapasitas bangunan utama sudah terpenuhi, serta dapat digunakan untuk berbagai kegiatan lainnya. Di sebuah aula di sisi kiri gereja, terdapat dua buah patung dada Paus Yohanes Paulus II untuk mengenang kunjungannya ke Gereja Santa Catharina pada tahun 1979.