Durante 22 meses tuvo Catalina la misma ama de cría, llamada doña María de Messa, que recibió 100.000 maravedíes al año de por vida como recompensa a los servicios prestados a la Corona. 

Su infancia transcurrió bajo la atenta mirada de su padre y de su cuarta esposa, Ana de Austria, que se convirtió en una auténtica madre para la pequeña.Cuando Ana conoció a las hijas de su esposo, Catalina Micaela e Isabel Clara Eugenia. Las damas de la corte habían dicho a las pequeñas que su madre regresaba del cielo; cuando la infanta Isabel contempló a la nueva reina se echó a llorar diciendo:"Esta no es mi madre que tiene el pelo rubio". La niña, de cuatro años, recordaba los oscuros cabellos de su madre por lo que no creyó la comedia inventada por las damas. Doña Anna contó a las infantas que no era su madre pero que las iba a querer como si lo fuera, lo que en efecto ocurrió.   Tras la muerte de ésta, en 1580, Felipe dedicará algo más de su escaso tiempo a sus hijas, permitiendo incluso que trabajaran con él en los asuntos de oficina.

El 18 de marzo de 1585 con 17 años contraía Catalina matrimonio con Carlos Manuel I de Saboya, duque de Saboya, eligiendo Zaragoza como sede del enlace. Tras la boda y acompañados por Felipe, se trasladará la pareja a Barcelona donde embarcarán rumbo a los estados del duque en Italia. Nunca más volverá Catalina a ver a su familia, dando a su padre los únicos nietos de los que tendrá noticia por la continua correspondencia mantenida entre ambos, aunque nunca tendrá la oportunidad de conocerlos.

Murió en 1597 a causa de un mal parto a la edad de treinta años. Se dice que su deceso aceleró el fin de su padre, el rey Felipe II.

 

El matrimonio tuvo diez hijos: