La chiesa di Santa Maria delle Grazie, detta di Santa Caterina, fu fatta erigere dalle monache domenicane di Santa Caterina da Siena. È composta da due aule: quella interna, che risulta già conclusa nel 1715, luogo di preghiera privato delle religiose, detto anche Coro delle Monache, direttamente collegato al nucleo centrale del convento (Palazzo Trevisio), e quella esterna con affaccio su Piazza Castello, consacrata da Monsignor Radicati nel 1726.
La chiesa esterna si presenta ad aula centrale interamente affrescata con cupola ellittica. Per quanto concerne l’apparato architettonico, non abbiamo ancora, purtroppo, un nome certo. La storiografia classica attribuisce il progetto a Giovan Battista Scapitta, ma gli estremi cronologici del cantiere, 1718 e 1726, esulano dalla presenza dello Scapitta, morto tre anni prima dell’inizio dei lavori. Nell’Archivio Capitolare di Casale è conservato un atto in cui Donato Zanetti viene definito capomastro in un intervento in seguito ad un problema strutturale nel monastero.
Nella chiesa interna risulta collocata la tomba della marchesa Anne d'Alençon dopo essere stata trasferita dall'antica chiesa originariamente posta nell'ala nord del monastero (ora Palazzo Trevisio), da lei donato alle religiose.
La storia ha inizio il 6 luglio 1528, quando la marchesa reggente Anne d’Alençon, in qualità di tutrice del figlio Bonifacio, e il cognato Gian Giorgio, fratello del defunto marito Guglielmo IX, donano il palazzo marchionale (Palazzo Trevisio) alle terziarie domenicane di Santa Caterina da Siena, che si costituiranno in monastero di clausura. L’originaria chiesa cinquecentesca viene ricavata al piano terra nell’ala nord del palazzo, ovvero nell’area che si affaccia su Via Trevigi. Era composta da una aula interna ad uso esclusivo delle monache, confinante con il Palazzo Natta-Vitta, e da una aula esterna riservata ai fedeli.
Nel corso del ‘600, probabilmente per l’aumento di numero delle monache, si rende necessario un ampliamento verso Piazza Castello, coronato dalla costruzione di una nuova chiesa, le cui caratteristiche architettoniche e decorative dovevano rispettare le rigide normative dei conventi di clausura dettate dal Concilio di Trento. La chiesa settecentesca risulta quindi, come quella precedente, divisa in due aule, ma presenta una risoluzione spaziale molto più articolata.
In seguito all’occupazione francese in Monferrato iniziata nel 1796 e alla successiva soppressione degli ordini religiosi, i beni delle monache vengono confiscati e municipalizzati e il convento, per concessione di Napoleone, diventa sede del Liceo Imperiale. Alla Restaurazione Re Vittorio Emanuele I vi istituisce il Reale Collegio di Educazione e lo affida ai Padri Somaschi, già rettori del Collegio di San Clemente fondato dal medico monferrino Andrea Trevigi. Nel 1814 i padri Somaschi acquisiscono la chiesa e l’ex convento, che prende il nome di “Reale Collegio di Santa Caterina”.
Un ulteriore decreto di soppressione degli ordini religiosi emesso nel 1866 estromette i Padri Somaschi e trasforma il Reale Collegio in “Ente Morale Laicale”, a cui viene assegnato il nome del fondatore Andrea Trevigi. Solo in seguito ai Patti Lateranensi del 1929 i Somaschi riprenderanno le attività al Collegio Trevisio e officeranno la chiesa fino al 1973, anno in cui l’ordine lascia definitivamente Casale.
Continuando ad essere di proprietà del Collegio Convitto Municipale Trevisio, la chiesa è stata officiata da un incaricato diocesano per una decina d’anni, fino ad arrivare negli anni ’90 ad una definitiva chiusura al pubblico per difficoltà di gestione e manutenzione.
Dal 2010 L’Associazione Santa Caterina Onlus organizza iniziative di raccolta fondi per il restauro e si prende cura dell’apertura al pubblico e della manutenzione ordinaria.