Пятая по счёту дочь Фердинанда I и Анны Богемской и Венгерской родилась в Инсбруке. Девочка была обучена чтению на итальянском и латыни, а уже в 1543 году 10-летнюю эрцгерцогиню обручили с ровесником, герцогом Франциском III Гонзага. Помолвка была организована в целях усиления влияния Австрии на севере Италии. Свадьба состоялась только 6 лет спустя, в 1549 году, когда Екатерине и Франциску было по 16 лет. Эрцгерцогиня переехала в Мантую в сопровождении брата Фердинанда. Но уже в начале следующего года юная Екатерина овдовела. Её 17-летний муж утонул в озере Комо. Вдовствующая герцогиня вернулась в родной Инсбрук. Впоследствии её младшая сестра Элеонора вышла замуж за брата Франциска, Вильгельма I Гонзага.
Портрет работы Тициана. 1548-1549 годы.
Портрет около 1550 года.
В 1551 году Фердинанд I решил выдать Екатерину за овдовевшего Сигизмунда II Августа, чтобы создать проавстрийскую партию при польском дворе. И Екатерина, и Сигизмунд были против брака. Вдовствующая герцогиня обвиняла его в плохом обращении с её старшей сестрой Елизаветой, а польский король боялся, что другая сестра будет такой же болезненной и непривлекательной, как первая. В 1553 году императору удалось убедить дипломата Николая Радзивилла "Чёрного" в том, что брак с его дочерью будет лучшим из предлагаемых вариантов (другими кандидатурами были Матильда Баварская и Анна д'Эсте). Николай Радзивилл написал восторженное письмо Сигизмунду, и тот согласился на брак с Екатериной. Летом 1553 года состоялась свадьба, приданое составило 100 000 флоринов.
Портрет работы неизвестного. Около 1557 года.
Портрет раюоты Лукаса Кранаха Младшего. Около 1565 года.
Екатерина знала итальянский и могла общаться с Боной Сфорца и её свитой. Новая королева была очень амбициозной и стремилась получить влияние при польском дворе, что раздражало Сигизмунда. В начале 1554 года он первый раз оставил молодую супругу, поехав на сейм в Люблине. Екатерина была расстроена разлукой и плакала, а когда Сигизмунд вернулся к ней, заявила, что беременна. Неизвестно, была это ложная беременность, или она закончилась выкидышем, но у королевы так и не родилось ребёнка.
В 1558-1560 Екатерина много болела, а Сигизмунд посчитал, что она больна эпилепсией (как и старшая сестра Елизавета). После этого супруги отдалились друг от друга. Последний раз они виделись в 1562 году. Королева проживала в Вильнюсе и Гродно, прежде чем была отправлена в Радом в 1563 году. Сигизмунд хотел аннулировать брак, чтобы жениться снова и получить наследника. Король пожаловался папскому нунцию, что брак с Екатериной греховен, поскольку она была сестрой его первой жены, ненавидела Польшу, вызвала выкидыш в 1554 году и что он испытывает физическое отвращение к ней из-за эпилепсии. Папа Пий IV не допустил развода из-за влияния Габсбургов.
Гравированный портрет из Австрийской Национальной Библиотеки
В 1564 году императором Священной Римской Империи стал Максимилиан II. Он стремился помирить сестру с мужем, или помочь ей вернуться в Австрию. Для этого император послал своих дипломатов к польскому двору. Сначала Сигизмунд отказывался отпускать королеву, боясь усиления антипольских настроений при габсбургском дворе, но позже согласился, решив, что это облегчит развод. Из-за вмешательства польских дворян Екатерина не могла вернуться в Австрию до 1566 года. Она не получила тёплого приёма в Вене, поскольку её обвиняли в неудачном браке. Максимилиан хотел встретиться с Сигизмундом, но король отказался. В 1567 году король заявил, что категорически отказывается жить с Екатериной, что даже стал бы монахом, если бы это означало избавление от супружества с ней, и что не возражает, если та останется в Австрии. В то же время Сигизмунд не указал, где королева сможет поселиться, если решит вернуться в Польшу, таким образом не дав ей возможности вернуться.
Летом 1567 года у Екатерины началась депрессия (тогда это называли "меланхолией"). К октябрю она поправилась и переехала в Линц, где прожила остаток своей жизни. Королева жила, как вдова, изучала Библию и богословские труды, занималась благотворительностью. Она писала письма мужу, а в завещании попросила прощения и оставила ему все драгоценности, подаренные ей. Большая часть денег Екатерины была оставлена на благотворительность. Здоровье было ослаблено эпилепсией, королева умерла в феврале 1572 года и похоронена в монастырском склепе Св.Флориана близ Линца.