La présence d'un port au pied de la colline du château est liée au péage que devaient payer les bateaux navigant sur la Garonne. Ce péage est connu depuis le XIIe siècle.
Comme beaucoup de chapelles construites pour les mariniers le long de la Garonne, elle est dédiée à Sainte Catherine d'Alexandrie, patronne des gens de la rivière et des philosophes.
Les Coutumes d'Auvillar de 1265 qui reprennent celles du XIIe siècle montrent qu'une chapelle existait au port d'Auvillar au XIIe siècle. En 1204, les consuls de Toulouse font la guerre au vicomte d'Auvillar pour supprimer le péage.
Arnaud Garcie de Goth, frère de Bertrand de Goth, pape sous le nom de Clément V, est vicomte d'Auvillar. La chapelle a dû être reconstruite à l'intiative de Clément V entre 1305 et 1314.
Le décor peint actuel date du XVIIIe siècle. Cependant dans certaines parties de l'église où ce décor s'est écaillé, il a fait apparaître des peintures plus anciennes, probablement du XIVe siècle.