A sua origem foi um pequeno mosteiro eremítico agostiniano, ainda que de cronologia incerta, sendo a única data concreta a de 1071, que surge inscrita numa lápide funerária. No entanto, as suas características arquitectónicas de rasgos românicos identificam-na como uma construção dos séculos XII ou XIII, por exemplo a partir das talhas vegetais e dos capitéis de arco triunfal.
O conjunto de edifícios que integram a igreja de Santa Catarina de Sercedelo é um dos mais interessantes núcleos religiosos da época baixo-medieval da zona de Entre Douro e Minho. Durante séculos, construíram-se aqui uma igreja românica, um nártex já gótico, um muro-campanário, também do século XIII e uma capela funerária - que agora serve como sacristia - datada também do final da Idade Média.
É um dos raros exemplos que conserva o exo-nartex, uma estrutura exterior à igreja, cuja função inicial seria funerária, intacto. A presença de galileias, ou capelas funerárias, em forma de nave e situadas na entrada ocidental da igreja, é uma das características do românico na zona de Guimarães. Construída pouco depois da finalização da igreja, impede parte da iluminação do muro oeste. Tem uma porta a poente y a de sul é da mesma produção que a correspondente da igreja.
O conjunto foi restaurado na década de 50 do século XX e em 1978, pela Dirección General de los Edificios y Monumentos.
A igreja é de uma única nave retangular, com testeiro plano revestidos ambos a duas águas com madeira. Os cachorros do beiral são apenas para decoração. Aos seus pés, ligada por uma grande porta de três arquivoltas simples, está a galileia, ou nartex , e a sul do presbitério e ligada a ele, a capela gótica.
A abside é mais estreito e mais baixo que a nave, o que permite a abertura de pequenos vãos no suporte do telhado, na cabeceira e no muro norte. Pela sua posição, é peculiar a presença de uma torre de sinos, em realidade um grosso e largo muro campanário, que dão uma imagem peculiar a esta igreja de Sercedelo.
No interior também são visíveis pinturas murais do século XVI com representações de santos, entre as quais sobressai a Anunciação na capela principal. Estas pinturas estão relacionadas com alguns exemplos contemporâneos da comarca zamorada de Sayago.
As janelas mostram um forte derrame para o interior. Além da porta no nártex de arco ligeiramente apontado, a entrada principal é a do muro sul, de arco meio de volta perfeita e um tímpano com um óculo com uma cruz (que se diz templária), apoiado em saliências lisas.
A igreja apresenta deteriorações no telhado, com humidades visíveis que afetam as pinturas murais interiores, apesar dos restauros prévios, observam-se telhas partidas, sepulturas sem manutenção e aspetos de abandono e falta de cuidado no seu ambiente próximo. A Câmara de Guimarães promoveu os pedidos e processo de reivindicação do restauro.
Levaram-se a cabo intervenções nas coberturas, nave, exo nártex e campanário. Revisão de telhados e substituição de elementos deteriorados, tratamento das cornijas e união dos paramentos com as coberturas. Tratamento das carpintarias e madeiras em geral, com substituição dos elementos necessários. Limpeza da pedra e aplicação de hidrofugantes, preenchimento de fendas com argamassas de cal hidráulica e pó de pedra. Eliminação da crosta e colonização biológica do exterior, aplicação de hidrofugante.
