Catalina fue comprometida con Carlos, conde de Charolais y heredero al ducado de Borgoña de acuerdo con el tratado de Arras entre Francia y Borgoña en 1435.

En 1438, Carlos, de cuatro años, visitó la corte francesa con un cortejo y formalmente pidió la mano de Catalina.

Catalina tenía unos nueve años, y Carlos seis.

Según se dice, Catalina y Carlos mantuvieron una relación amistosa, pero debido a su corta edad, Catalina no vivió con su marido sino que pasó a estar bajo el cuidado de la madre de él, Isabel de Portugal, duquesa de Borgoña, con quien aparentemente se llevaba muy bien, siendo tratada por la duquesa como una hija.

Recayó enferma con tos convulsa en 1446 y murió el 13 de julio de ese mismo año probablemente de tuberculosis.