Nella sezione dedicata alle grandi pale d’altare trova posto il dipinto su tavola col Matrimonio mistico di Santa Caterina, che sarebbe stato donato da Giovan Battista Naldini al pratese monastero di Santa Caterina da Siena in occasione della vestizione di sua sorella Annalena, avvenuta nel settembre 1568, come risulta da alcuni documenti. L’opera fu però completata, probabilmente solo dopo la morte del pittore, dal suo collaboratore Giovanni Balducci, il cui stile più castigato e rigido caratterizza l’intero dipinto, con poche eccezioni.

Sotto lo sguardo intenso della Vergine Maria avviene il matrimonio mistico fra Cristo e Santa Caterina da Siena, caratterizzata dall’abito monacale e dalle stimmate, alla presenza di cherubini e dei santi Paolo, Domenico, Giovanni evangelista e del profeta David. Tale genere di soggetto era particolarmente adatto al contesto conventuale, giacché le giovani converse potevano vedervi rappresentata la loro vocazione, ispirata dal desiderio di comunione con Dio.

Resta difficile scorgere la mano di Giovan Battista Naldini in questa pala d’altare dall’impianto molto arcaico. Il giovane e promettente pittore in quegli anni faceva parte dell’atelier di Giorgio Vasari per i lavori nel Salone dei Cinquecento in Palazzo Vecchio, e le sue prime opere mostrano tutt’altra qualità e fantasia. Probabilmente la pala fu solamente impostata dall’artista, il cui stile sembra evidente soltanto nella figura del profeta David che, seduto, suona la cetra, e venne completata o quasi totalmente ritoccata dal suo allievo e collaboratore Giovanni Balducci dopo la morte del maestro, come parrebbe indicare l’iscrizione riportata sul dipinto.

Caratterizzano l’opera una impostazione calibrata e severa della scena che si apre verso il gruppo centrale, il tono devozionale e la semplificazione delle forme, che sembrano confermare una datazione intorno al 1591, anche per il confronto con gli affreschi del Balducci nell’oratorio dei Pretoni a Firenze (1588-90), dipinti per il cardinale Alessandro dei Medici, futuro papa Leone XI.