Catalina fue considerada como una potencial prometida para el príncipe de Gales, Enrique Estuardo, heredero a los tres reinos de Inglaterra, Escocia e Irlanda, pero la religión anglicana de Enrique no le permitía casarse con la católica Catalina.
Finalmente contrajo matrimonio en 1617 con Fernando Gonzaga, duque de Mantua y Montferrato; no tuvieron hijos.
Su sobrino, el gran duque Fernando II, la nombró gobernadora de Siena en 1627, donde falleció de viruela dos años más tarde.
[1] En sus últimos años, Catalina era conocida por ser muy devota.
Young, afirma que Catalina tenía un llamativo parecido a su hermano, Cosme II de Médici, y su hermana Claudia.