Nota come San Gaetano, la chiesa era un tempo dedicata ai Santi Apostoli Simone e Giuda e posta accanto al monastero degli Umiliati.
Il nome attuale si deve al predicatore Gaetano da Thiene, fondatore dell’ordine dei Teatini, che si stabilirono in città dal 1530. Preso possesso del complesso, si rivolsero a Vincenzo Scamozzi per rinnovarlo e donare un aspetto più moderno alla chiesa. Il risultato è tutt’ora visibile nel bellissimo tempio, consacrato dal vescovo di Urbino il 23 ottobre 1588.
L’imponente facciata a due ordini è suddivisa da grandi lesene, che sostengono la trabeazione e l’attico. L’originale pianta ottagonale della chiesa dimostra che originariamente era destinata ad essere la cappella del convento teatino. L’interno, rivestito di marmi policromi settecenteschi, è arricchito da un suggestivo gioco di pilastri che si uniscono, oltre la trabeazione, al culmine della copertura.
All’iniziale apparato decorativo tardo cinquecentesco, ne vennero aggiunti dei successivi che alterarono l’originaria semplicità dell’interno, ma lasciarono nella chiesa uno splendido esempio di arte barocca. Così ad esempio nella cupola dove, nei sedici spicchi della grande volta, si dipana il meraviglioso affresco dell Paradiso. E’ un’opera del francese Guido Luigi Vernansal, ultimata nel 1724.
Una menzione particolare merita la Cappella del Santo Sepolcro, contemporanea alla costruzione cinquecentesca della chiesa, che testimonia la profonda devozione per Cristo Crocifisso e i numerosi pellegrinaggi di quei secoli.
