Στο βορειοδυτικό τμήμα της Άνω Πόλης, πάνω από την οδό Ολυμπιάδος και κοντά στα βυζαντινά τείχη, ο Παλαιολόγειος Ναός της Αγίας Αικατερίνης αποτελεί σπουδαίο βυζαντινό αξιοθέατο, το οποίο περιλαμβάνεται στον κατάλογο των Μνημείων Παγκόσμιας Πολιτιστικής Κληρονομιάς της UNESCO. Ο σταυροειδής ναός, χτισμένος στις αρχές του 14ου αιώνα, με κεντρικό τρούλο και τέσσερις μικρότερους τρούλους στις γωνίες, είναι χαρακτηριστικό κτίσμα της «Μακεδονικής Σχολής», ενώ η τοιχογράφησή τοποθετείται στα 1315.

Ο Ναός είχε κτιστεί προς τιμήν του Ιησού Χριστού. Μετά την απελευθέρωση της πόλης το 1912, αφιερώθηκε στην Αγία Αικατερίνη και έλαβε το όνομά της. Το 1481 μετατράπηκε σε τζαμί και κατά τη συγκεκριμένη περίοδο υπέστη αρκετές επεμβάσεις. Τα αναστηλωτικά έργα του 1946 αποκάλυψαν ενδιαφέρουσες τοιχοποιίες που είχαν καλυφθεί και σήμερα διασώζονται αρκετές στον συγκεκριμένο ναό, με έντονα χρώματα και πλούσιους διακόσμους, αξιοθέατα από μόνα τους, μαζί με την πολύ χαρακτηριστική αρχιτεκτονική του ναού.