เจ้าหญิงกาตารีนาแห่งบรากังซา-โปรตุเกสประสูติที่วีลาวีซอซา เป็นพระราชธิดาองค์ที่ 2 ใน พระเจ้าฌูเอาที่ 4 แห่งโปรตุเกส เมื่อครั้งทรงเป็นดยุคแห่งบรากังซากับเจ้าหญิงลุยซาแห่งเมดินา-ซิโดเนีย ธิดาในดยุคแห่งเมดินา-ซิโดเนีย ทางพระราชมารดา พระองค์เป็นพระราชปนัดดารุ่นที่ 3 ใน นักบุญฟรานซิส บอร์เจีย พระองค์ทรงศึกษาในคอนแวนต์ เจ้าหญิงแคทเทอรีนทรงได้รับการควบคุมศึกษาจากพระมารดา ทำให้ทรงสนิทสนมกับพระราชมารดามาก

เนื่องจากการฟื้นฟูพระราชวงศ์โปรตุเกส ซึ่งก็คือ ราชวงศ์บรากังซา ทำให้พระราชบิดาของพระองค์ได้ครองราชสมบัติในวันที่ 1 ธันวาคม พ.ศ. 2183 พระองค์ได้ถูกเสนอให้เป็นพระคู่ครองในเจ้าชายจอห์นแห่งออสเตรีย ผู้เยาว์, ฟรังซัวส์ เดอ เวนโดเม ดยุคแห่งโบฟอร์ต, พระเจ้าหลุยส์ที่ 14 แห่งฝรั่งเศส และพระเจ้าชาลส์ที่ 2 แห่งอังกฤษ พระองค์ถูกมองว่าเป็นช่องทางแห่งความสัมพันธ์และผลประโยชน์สำหรับการทำสัญญาเป็นพันธมิตรระหว่างอังกฤษกับโปรตุเกส หลังจากสนธิสัญญาพีเรนิสในพ.ศ. 2202 แล้วโปรตุเกสก็ละทิ้งฝรั่งเศส และเมื่อพระเจ้าชาลส์ที่ 2 ได้รับราชบัลลังก์อังกฤษคืนเมื่อปี พ.ศ. 2203 พระมารดาของกาตารีนาก็เริ่มเปิดการเจรจาเรื่องการแต่งงานของกาตารีนากับที่ปรึกษาของพระเจ้าชาลส์ ในที่สุดสนธิสัญญาการแต่งงานระหว่างทั้งสองพระองค์ก็ได้รับการลงนามเมื่อวันที่ 23 มิถุนายน พ.ศ. 2204