Caterina Maria Romula di Lorenzo de' Medici nasce il 13 aprile 1519 a Firenze da Lorenzo de' Medici duca di Urbino e Maddalena de la Tour d'Auvergne (Lorenzo il Magnifico fu suo bisnonno). Sull'educazione della giovane Caterina iniziano le prime dispute tra Francesco I, intenzionato a farla allevare in Francia, e Papa Leone X, di tutt'altra opinione.Caterina riceve un'educazione sotto l'egida papale, vivendo con la nonna Alfonsina Orsini. Come unica erede della casa medicea assume il titolo di Duchessa di Urbino; nel 1523 Giulio de' Medici, parente alla lontana di Caterina, viene eletto papa con il nome di Clemente VII. Quest'ultimo, alleatosi con i francesi, inizia a pensare per la giovane erede a un vantaggioso matrimonio con la casata dei Valois, all'epoca sul trono di Parigi.
Dopo un periodo di rivolte a Firenze, terminate con la repressione pontificia, i piani per l'unione di Caterina de' Medici possono proseguire. Il re di Francia Francesco I propone per la mano di Caterina il suo secondogenito Enrico, Duca d'Orléans (Enrico II di Valois). Caterina così a soli 13 anni inizia a studiare il francese, che arriva a parlare fluentemente il giorno del matrimonio, celebrato il 28 ottobre 1533 con grande sfarzo a Marsiglia.
A dispetto dell'inaspettata morte di Papa Clemente VII, che rende di fatto inutile il matrimonio, Caterina de' Medici viene comunque accolta favorevolmente a corte, in particolare dalle sorelle del marito, tra cui Margherita di Navarra. Riesce a fare breccia nel cuore del re, che rimane colpito dall'intelligenza della giovane fiorentina. A lei viene attribuita la nascita della cavalcata all'amazzone, ideata per potersi unire liberamente alle battute di caccia del suocero, con cui dimostra di andare pienamente d'accordo.
La corte rimane ben presto stupita dalla vasta cultura dimostrata dalla giovane, in grado di parlare fluentemente italiano, francese e latino. In seguito alla morte del delfino di Francia (Francesco di Valois-Angoulême, figlio di Francesco I), avvenuta il 10 agosto 1536, Enrico e Caterina diventano i nuovi eredi al trono. Questo momento segna l'inizio dei pregiudizi nei confronti di Caterina, che in quanto fiorentina viene accusata di aver avvelenato Francesco. La diffidenza nei confronti di Caterina rimane un punto fermo, anche se si attenua quando la donna riesce a dare infine dei figli al marito.
Il matrimonio e l'educazione dei figli sono influenzati dalla presenza della favorita Diana di Poitiers, amante di Enrico ma al tempo stesso responsabile della felicità dell'unione tra i due regnanti.
Al momento della morte del marito Enrico II, avvenuta il 10 luglio 1559, Caterina è molto addolorata e inizia a vestirsi solo di nero in segno di lutto, dando inizio alla tradizione che rimane fino ai nostri giorni.
Caterina è storicamente responsabile di aver introdotto altre innovazioni, tra cui l'utilizzo della forchetta presso la corte di Francia. Fece inoltre venire a Parigi cuochi da Firenze dando un importante impulso alla nascita di una cucina di corte, di fatto basilare per la "cucina francese".
È lei che riesce ad arrangiare matrimoni e alleanze favorevoli per i figli, sui quali esercita un'ingerenza particolarmente forte; in special modo nel regno di Carlo IX, durante il quale la regina madre s'impegna per riuscire a far convivere cattolici e ugonotti, i sostenitori della fede protestante.
Preoccupata per la crescente importanza del leader protestante Ammiraglio di Coligny, ma soprattutto delle latenti tensioni con le fazioni cattoliche più determinate, come quelle guidate dalla casata dei Guisa, Caterina de' Medici mette in atto una politica di conciliazione; essa è destinata però a scontentare molti contemporanei. Un grande tentativo è rappresentato dalla promessa di dare in sposa la figlia minore, Margherita di Valois, a Enrico di Navarra (Enrico IV di Francia), della dinastia dei Borboni e di fede calvinista. Tuttavia, resasi conto dell'impossibilità di mediare in modo pacifico, acconsente infine all'esecuzione dei capi ugonotti, giunti a Parigi per le nozze della figlia.
In quella che viene conosciuta come Notte di San Bartolomeo, quella che doveva essere un'operazione chirurgica diventa un eccidio, con migliaia di persone di fede protestante uccise solo a Parigi.Da quel momento la reputazione di Caterina viene per sempre macchiata, anche se negli anni del regno del secondo figlio, salito al trono come Enrico III, continua instancabilmente a cercare la concordia tra le due parti. Gli sforzi si rivelano vani e a seguito della Giornata delle Barricate, altro scontro tra cattolici e protestanti, Caterina de' Medici si ammala.Muore sei mesi dopo, il 5 gennaio 1589 presso il Castello di Blois, all'età di 69 anni.Poiché la basilica di Saint-Denis a Parigi era nelle mani dei congiurati, Caterina non poté essere sepolta lì: le sue spoglie rimasero a Blois e furono tumulate a Saint-Denis ventidue anni dopo.