Katholm blev opført i en nyanlagt sø, og østfløjen er dateret til 1588, nordfløjen til 1591. Begge fløje er i to etager og i et halvstokværk uden vinduer. På nordvest- og sydøsthjørnet er der ottekantede tårne, og i gården et trappetårn. Spor i murværket viser, at der var planlagt en vestfløj og en spærremur mod syd.
Katholm er et typisk renæssanceanlæg, der både virker lidt gammeldags med fortifikatoriske elementer, men samtidig også moderne med dekorationer som gavlenes profillister og svungne kamme samt tårnenes lodrette, murede rundstave. Også de mange store, aksefast placerede vinduer og tårnene, der kun når lidt over bygningens murhøjde, er moderne elementer, der er karakteristiske for renæssancen.
I 1622 blev en lav vestfløj med kamtakgavl opført og 1618‑19 den trefløjede avlsgård, der åbner sig mod hovedbygningen. Samspillet mellem hovedbygning og avlsbygninger, gerne over en fælles symmetriakse, var typisk for renæssanceherregårdene.
