W 1922 obiekt przekazano parafii działającej przy cerkwi Ikony Matki Bożej „Znak”, w tej samej dzielnicy WilnaG. Szlewis, Православные храмы Литвы, Вильнюс, Свято-Духов монастырь, 2006, , ss. 106–107. Po ogłoszeniu autokefalii Polskiego Autokefalicznego Kościoła Prawosławnego, z inicjatywy Wiaczesława Bohdanowicza została siedzibą jedynej w Polsce parafii w jurysdykcji patriarchy Moskwy. Działała ona jednak tylko przez rok, gdyż władze polskie zabroniły użytkowania cerkwi przez prawosławnych niepodlegających metropolicie warszawskiemu. Odtąd nabożeństwa parafialne odbywały się w prywatnych domach. Cerkiew św. Katarzyny została ponownie otwarta tymczasowo w czasie remontu cerkwi Ikony Matki Bożej „Znak”. Po aneksji Litwy do ZSRR obiekt został odebrany wiernym i był odtąd użytkowany jako magazyn, a następnie pracownia rzeźbiarza. Został zwrócony eparchii wileńskiej i litewskiej w latach 90., a następnie w 2005 częściowo wyremontowanyG. Szlewis, Православные храмы Литвы, Вильнюс, Свято-Духов монастырь, 2006, , s. 108. W 2013 cerkiew odnowiono również wewnątrz, po czym została ona ponownie wyświęcona przez arcybiskupa wileńskiego i litewskiego Innocentego. Od 2014 regularnie odbywają się w niej nabożeństwa, reaktywowano też parafię św.