L’interno fu affrescato nel Cinquecento e nel Seicento su tutte e quattro le pareti interne, con storie della vita della santa. Ad una prima fase di lavori, avvenuta nel terzo decennio del XVI secolo e che vide la partecipazione di Giacomo Pacchiarotti (Santa Caterina stigmatizzata), Girolamo del Pacchia (due Storie a destra), Vincenzo Tamagni (prima Storia della santa a sinistra) e del Sodoma (Cinque angeli sopra l'altare), seguì una seconda fase, nel primo decennio del XVII secolo, a cui parteciparono Ventura Salimbeni (seconda Storia della santa a sinistra, 1604) e Sebastiano Folli.
Entro l’altare seicentesco è collocata la statua in legno dipinto di Santa Caterina, realizzata nel 1474 da Neroccio di Bartolomeo de' Landi.
Sede della contrada dell'Oca
A fianco della chiesa ha sede la nobile contrada dell'Oca, in un edificio in cotto con pregevole portale e due piani di logge.
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Francesco Vanni (1563–1610), Canonizzazione di S.Caterina da Siena
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