Il dipinto manifesta caratteri stilistici di indubbia ascendenza tardo manierista senese, evidenti soprattutto nel volto inclinato della Vergine, nella sua mano e nella figura del Bambino, che ricorda analoghe figurazioni di Francesco Vanni e Ventura Salimbeni. La figura di Santa Caterina conserva, con una nota di conservatorismo figurativo, ricordi di esempi della prima metà del Cinquecento, soprattutto del Sodoma. Le tipologie dei volti, con lo sguardo un poco imbambolato sotto le palpebre leggermente abbassate, e la durezza quasi metallica dei panneggi indurrebbero ad attribuire il dipinto a Francesco Bartalini.