La chiesa di Sant'Agata al Carcere è costruita su ciò che resta del bastione del Santo Carcere, appartenente alle mura di Carlo V del XVI secolo, che difendeva la porta nord (chiamata porta del Re) della città di Catania. 
Secondo la tradizione in questo luogo venne tenuta prigioniera sant'Agata prima di subire il martirio.

La chiesa presenta elementi relativi a secoli diversi. La parte prospettuale risale al XVIII secolo in quanto venne distrutta dal terremoto del 1693. 

La facciata, su un originale disegno di Giovan Battista Vaccarini, è pertanto in stile barocco siciliano mentre l'antico portale strombato è in stile romanico, e fu recuperato dalla cattedrale. 

Il portale, unico esemplare in Sicilia dello stile Romanico Pugliese, venne realizzato in marmo bianco con arco a tutto sesto ed è retto da sei colonnine decorate in tre modi diversi (rispettivamente dall'esterno verso l'interno a scacchiera, a spina di pesce e a losanghe), il cui motivo si ripete lungo le strombature dell'arco stesso, e da due pilastrini che fungono da stipiti su cui sono figure e simbologie bibliche, animali reali o immaginari, intrecciati tra loro da una modanatura a motivo floreale. 

Fu costruito nel 1194 dopo il sisma del 1169 che rovinò la città, su richiesta dello stesso Federico II e proprio quest'ultimo sarebbe rappresentato sopra uno dei sei capitelli, seduto su uno scranno. 

L'interno è costituito da due corpi diversi. La parte anteriore, ricostruita dopo il terremoto, è barocca con volta a botte; mentre la parte absidale è costituita dalla campata a crociera gotica con tetto a costoloni, terminanti in uno stemma circolare, poggiato su colonne sormontate da capitelli corinzi. 

Sulla base di alcune recenti teorie tale campata apparteneva ad un sistema di collegamento alla sovrastante chiesa di Sant'Agata La Vetere, che un tempo le era connessa. 

Tra le opere custodite una pala sull'altare maggiore che rappresenta il Martirio di Sant'Agata di Bernardino Niger. Vicino all'altare del Crocefisso si trovano due lastre di pietra lavica che secondo la tradizione apparterrebbero a Sant'Agata che qui venne imprigionata, nel gennaio del 251, prima di subire il martirio; in una di queste sono impresse le orme di due piedi che, secondo la tradizione, avrebbe lasciato la santa catanese. 

Accanto ad essa si apre un angusto passaggio che conduce in un locale di epoca romana, attiguo alla chiesa, considerato il carcere di Sant'Agata da cui discende la denominazione della chiesa. Recenti scavi qui effettuati hanno confermato l'esistenza di una grande struttura tripartita coeva al martirio della Santa, la cui funzione tuttavia non è ancora ben chiara. 

Nella stessa chiesa è conservata la cassa in cui erano contenute le reliquie di sant'Agata riportate a Catania, da Costantinopoli, dai soldati Gisliberto e Goselmo nel 1126, dopo un'assenza di oltre 86 anni.