La santa es representada de medio cuerpo por Rafael en una de sus visiones, con la mano derecha en el corazón y los labios abiertos, en un momento de éxtasis místico en el que mira hacia la gloria dorada que rompe el cielo. Su visión más famosa es aquella en la que vivió un matrimonio místico con Cristo. El pintor prescinde de la espada, la corona, el libro y la palma del martirio, y como atributo identificativo utiliza solo la rueda de púas a la que la santa fue atada por mandato de Majencio. Al destruir un rayo divino la rueda antes de que Catalina pudiera ser torturada hasta su muerte, el emperador romano ordenó que la decapitaran. La mano izquierda, cerca de la rueda haciendo el número tres con los dedos, alude a la Santísima Trinidad.

Esta audaz representación que Rafael hace de la santa en éxtasis supuso una evolución respecto a los anteriores simulacros que, de forma más convencional, se desarrollaron en su mayoría para polípticos. Rafael vuelve a tomar como punto de partida a su maestro Perugino, cuyas figuras religiosas, con frecuencia con las cabezas alzadas y los ojos levantados, fueron alabadas por sus contemporáneos por su aire angelical. Perugino también colocó sus figuras contra paisajes distantes e incluyó detalles de naturaleza muerta con flores. Sin embargo, la pose de esta Santa Catalina de Alejandría es mucho más dinámica que cualquier obra de Perugino, revelando la influencia de los enfoques que Leonardo y Miguel Ángel llevaron a cabo sobre la figura humana.

El hermoso contraposto curvo de la santa recuerda a una estatua clásica de la diosa Venus, y está presente también en "El nacimiento de Venus" de Botticelli. Vemos también el influjo de la "Leda" de Leonardo, que Rafael copió no mucho antes, sobre todo en la disposición del cabello y en el forro amarillo del manto. El sentido de monumentalidad escultórica y el escorzo de la cabeza derivan del inacabado mármol de "San Mateo" de Miguel Ángel para la Catedral de Florencia (ahora en la Galería de la Academia). Un boceto de la santa conservado en el Louvre revela que la elevación de la cabeza no iba a ser tan acusada.

A pesar de las influencias, la Santa Catalina de Alejandría de Rafael es una versión muy propia que refleja a la perfección el ideal de armonía universal tan fundamental para sus obras. Rafael incluyó en primer plano unas plantas dentro del sereno paisaje rural en que se ambienta la obra. Una de esas plantas es el diente de león, hierba amarga que aparece en las pinturas holandesas y alemanas relativas a la Crucifixión y que simboliza el dolor cristiano, en particular la pasión de Cristo. Rafael también la incluyó en la "Sagrada Familia bajo una palmera" y en el "Traslado de Cristo", ambas obras ya comentadas.

No se sabe quién encargó este óleo sobre tabla (71 x 53 cm) a Rafael en torno al año 1507, cuando el pintor trabajaba en el retablo para los Baglioni. Pudo haber sido una imagen para la devoción doméstica, tal vez para una persona muy devota de la santa o que llevara su nombre. Probablemente su cliente procedía de Perugia o de Florencia. Se conoce una carta del escritor Pietro Aretino en la que consideraba presentar una imagen de Santa Catalina de su propiedad, pintada por Rafael, a Catalina de Médici, reina de Francia; sin embargo, es imposible saber si esta Santa Catalina de Alejandría de Rafael, conservada actualmente en la National Gallery de Londres, es la pintura que una vez fue propiedad de Aretino y que se registró en su poder en 1550.