Kun Helsinkiä siirrettiin pois Vanhasta kaupungista ja sitä vuonna 1640 alettiin rakentaa Vironniemelle, oli metsäinen ja kallioinen niemi vielä täysin rakentamaton ja asumaton. Meriteitse kaupunkiin saapuville tämä niemi oli kuitenkin tärkeä maamerkki: vain kiertämällä sen pääsi Vironniemen itärannalla sijaitsevaan pääsatamaan.
1600-luvun lopussa Helsingin kaupunki jakaantui neljään kortteliin, joista kaakkoinen eli kalastajien asuttama ”Fiskarback qwarteret” käsitti Katajanokan länsiosan. Kalastajien asumuksista, tiilitehtaasta ja Laukkasaarelle pystytetystä kookkaasta kruununmakasiinista huolimatta varsinaisesta rakennuskannasta ei voi tässä vaiheessa puhua. Näitä harvoja rakennuksia ja muutamaa peltotilkkua lukuun ottamatta niemi oli luonnontilassa.
Katajanokka – Skatudden -nimi on peräisin 1600-luvun lopulta, jolloin paikkaa kutsuttiin nimellä Estnäs Skatan eli Vironniemen kärki. Vuoden 1775 kartassa nimi esiintyy muodossa Skat Udden, ja vuoden 1886 karttaliitteessä se on saanut suomennoksen Katajanokka. Kaupunginosan nimeksi se tuli vasta 1959. Katajanokan kanava valmistui 1844. Satamakatua on aikanaan suunniteltu esplanadiksi. Se nimettiin sittemmin Västra Hamngataniksi ja sai vuonna 1928 nykyisen nimensä.
Vuoden 1800 alkupuolella oli Katajanokka vielä Helsingin laita-aluetta: yksikerroksisissa mökeissä asusteli etupäässä merimiehiä ja heidän leskiään ja alueella oli ainoastaan pari suurta taloa: Engelin piirtämä Merikasarmi, joka valmistui vuonna 1825 sekä A.M. Gornostajevin suunnittelema rahapaja, joka valmistui vuonna 1863.
Varsinainen rakentaminen Katajanokalla alkoi 1800-luvun puolenvälin jälkeen, jolloin kaupunkiin alettiin rakentaa isoja kivitaloja. Katajanokkaa maisemallisesti hallitsevan Uspenskin Katedraalin valmistuminen ajoittuu tähän samaan aikaan.
1800-luvun jälkipuolella saaren rannat otettiin varastokäyttöön ja saman vuosisadan lopulla ja 1900-luvun alussa entisestä hökkelikaupunginosasta kehittyi kerrostaloalue, joka on edelleen jugendkauden, jota myös art nouveau arkkitehtuuriksi kutsutaan, edustavimpia kokonaisuuksia.
Katajanokan muuten yhtenäistä kaupunkikuvaa on muuttanut Kauppatorin puolelta Alvar Aallon (1898–1976) suunnittelema, ihastusta ja vihastusta herättänyt, valkea Enson pääkonttori, joka rakennettiin 1959–62. Samalta paikalta purettiin silmää räpäyttämättä upea uusrenessanssityylinen ns. Norrménin palatsi, jonka oli suunnitellut maineikas arkkitehti Theodor Höijer (1843–1910). Alfred Norrmén (1858–1942) oli Pohjoismaiden Yhdyspankin pankinjohtaja ja Helsingin kaupunginvaltuuston puheenjohtaja, joka halusi hulppean kaupunkipalatsinsa niin lähelle Senaatintoria kuin mahdollista.
Saaren keskellä sijaitsee entinen Helsingin lääninvankila, jonka vanhin osa, hallinto- ja kirkkorakennus on vuodelta 1837. Vankilaa laajennettiin punatiilisillä, ristinmuotoisilla selliosastoilla vuonna 1888 (L.I. Lindqvist, Theodor Decker). Samassa yhteydessä valmistui henkilökunnan asuinrakennus. Vankila-aluetta ympäröi korkea punatiilimuuri. Vankilatoiminta loppui vuonna 2002 ja rakennus saneerattiin hotellikäyttöön.
Merikasarmi perustettiin Helsingin venäläisen sotaväen käyttöön. Vuonna 1833 sinne sijoitettiin Suomalainen Meriekipaasi. Sen rakennusten suunnittelusta vastasi C.L. Engel. Kaksikerroksinen sairaala valmistui 1838 ja sen suunnitteli A.F. Granstedt (1800–1849). Merikasarmin rakennukset korjattiin ja täydennysrakennettiin ulkoministeriön käyttöön 1984–1989. Niiden edustalla oleva aukio nimettiin vuonna 2009 Nobelilla palkitun presidentti Martti Ahtisaaren (s. 1937) aukioksi.
Katajanokan kärjen asuntoalue toteutettiin asemakaavakilpailun pohjalta 1970- ja 80-luvuilla. Kilpailun voittivat nuoret arkkitehdit Vilhelm Helander, Pekka Pakkala, Mikael Sundman.
Katajanokan kanava ja satama
Vuoden 1875 asemakaavassa Katajanokan lounaisrantaa käsiteltiin ensimmäisen kerran Eteläsatamaa täydentävänä laiturialueena. Vuonna 1882 laaditussa asemakaavaehdotuksessa se sai tehokkaan tavarasataman luonteen makasiineineen ja rautateineen. Satamaraide rakennettiin Helsingin niemen kiertävänä Etelärannan ja Kauppatorin kautta Katajanokalle vuonna 1895. Samaan aikaan rakennettiin nykyistä täyttöaluetta pohjoisempana sijainnut laiturin reuna kortteleihin nähden vinoksi. Nykyiseen paikkaansa satamalaituri levennettiin vuonna 1956. Alueella sijaitseva peräporttiuloke on vuodelta 1980.
Katajanokan laituri palveli tavarasatamana 1970-luvulle asti. Satamaradan käyttö loppui 1980, ja rata purettiin 1985, minkä jälkeen Katajanokan satama kehittyi matkustaja- ja risteilysatamaksi. Matkustajaliikenne muodostuu reittiliikenteestä Tallinnaan ja Tukholmaan sekä charterliikenteestä, jota edustavat Helsingissä vuosittain vierailevat noin 160 loistoristeilijää. Makasiinien käyttötarkoitus on muuttunut vähitellen hotelli-, toimisto-, kongressi- ja ravintolatiloiksi. Katajanokalla asuu noin 4600 ihmistä.