Nació en Torquemada (Palencia), como la sexta y póstuma hija de Felipe I de Castilla (Felipe el Hermoso) y Juana I de Castilla (Juana la Loca).

Su hermano Carlos I, al llegar a España por primera vez en 1517, concertó el matrimonio de Catalina con Juan III de Portugal.

El año siguiente, la hermana de Juan III, Isabel, se casaría con Carlos I. Catalina dio a luz a nueve hijos: Muerto el rey Juan III (11 de junio de 1557), le sucedió en el trono su nieto Sebastián, dado que todos los hijos de Catalina y Juan habían muerto.

Apoyó a numerosos artistas y proyectos culturales, contribuyendo al desarrollo del arte y la cultura en Portugal[2]​ En el año que Catalina se casa con el rey Juan III de Portugal comienza su influencia en la corte portuguesa y su mecenazgo artístico.

[2]​ Catalina comienza a patrocinar la construcción y renovación de varios edificios en Portugal, incluidos palacios, iglesias y monasterios.