La chiesa sorge sulla piccola piazza della Doganella, sopra un’alta gradinata. Costruita nei primi anni del Cinquecento su progetto di Matteo Carnelivari, la Chiesa di S. Maria della Catena deve il suo nome alla lunga catena che - fissata alla sua parete esterna - chiudeva l’accesso all’antico porto di Palermo. L'opera è un perfetto connubio di elementi tardo rinascimentali e gotico-catalani, quest'ultimi visibili sopratutto nella loggia tripartita da archi posta in cima a una scalinata, inizialmente a due rampe, aggiunta nel 1845.

All’esterno si nota ancora il rivestimento originario in conci squadrati, e le primitive finestre con trafori nelle lunette laterali.

L’edificio è preceduto da un portico con tre archi ribassati, sotto il quale stanno tre portali, con bassorilievi del Gagini. L'interno è a tre navate, con tre absidi. La navata centrale si caratterizza per le sue volte a costoloni, mentre le navate laterali hanno volte a botte. L'interno, con caratteristiche che si rifanno al gotico rinascimentale, presenta una Natività con Adorazione dei Pastori, tela del XVII secolo di autore ignoto e una Natività e Adorazione dei Magi, bassorilievi del XVI secolo attribuiti a Vincenzo ed Antonello Gagini.

Annessa alla chiesa vi è la casa conventuale del 1602 che dal 1844 è sede dell' Archivio di Stato.