Il Vasari scrive di un certo dottor Grillenzoni di Modena che parlava di aver ammirato le "Nozze mistiche di Santa Caterina con San Sebastiano" dell'Allegri. Nel 1582, tramite l'aiuto del cardinale Luigi d'Este, l'opera diventava proprietà di Caterina Nobili Sforza di Santafiora. Fino al 1650, dell'opera, non si sa più nulla salvo che nello stesso anno fu donata al Mazzarino dal cardinale Antonio Barberini.

Gi eredi di eredi di quest'ultimo lo donarono a Luigi XIV. Per quanto riguarda la cronologia, il dipinto non trova concordi la maggior parte degli studiosi: Gronau ed il Bottari gli attribuiscono il triennio 1523-25. Venturi vi scorge richiami alla pittura leonardesca nelle immagini della Madonna e di San Sebastiano. Parte della struttura compositiva e la coloristica evidenziano nessi con I' "Ecce Homo" (National Gallery di Londra) e con la Madonna del latte (Szepmuveszeti Muzeum di Budapest), ma l'impianto completo si avvicina molto di più alla Madonna di San Gerolamo (Il Giorno) (Galleria di Parma) che non ai richiami di stampo manieristico delle due opere appena citate.