กาทรีนแห่งวาลัวเริ่มสัมพันธ์ลับครั้งใหม่กับโอเวน ทิวดอร์ คหบดีชาวเวลส์ที่อยู่ในครัวเรือนของพระนาง ไม่มีใครรู้ว่าทั้งคู่พบเจอกันที่ไหนอย่างไร นักประวัติศาสตร์เสียงแตกว่ากาทรีนอาจสมรสกับโอเวน ทิวดอร์อยู่แล้วก่อนหน้าที่จะมีรัฐบัญญัติ หรือไม่ทั้งคู่ก็อาจสมรสกันอย่างลับๆ หลังมีรัฐบัญญัติ ทั้งคู่สมรสกันในปี ค.ศ. 1432 โดยไม่ได้รับอนุญาต ปี ค.ศ. 1436 โอเวน ทิวดอร์ถูกจองจำ ส่วนกาทรีนก็เกษียณตนเข้าวิหารเบอร์มอนด์ซีย์ ทรงสวรรคตที่นั่นในปีต่อมา การสมรสของทั้งคู่ถูกเปิดเผยหลังพระองค์สวรรคต

กาทรีนกับโอเวน ทิวดอร์มีบุตรด้วยกันห้าคน คือ

1. เอ็ดมุนด์ ทิวดอร์ (เกิด ค.ศ. 1430/1) เอิร์ลที่ 1 แห่งริชมอนด์ เขาสมรสกับมาร์กาเร็ต โบฟอร์ต บุตรชายของทั้งคู่ได้รับการสวมมงกุฎเป็นพระเจ้าเฮนรีที่ 7 โดยอ้างสิทธิ์จากการพิชิต
2. แจสเปอร์ ทิวดอร์ (เกิด ค.ศ. 1431) เอิร์ลที่ 1 แห่งเพมโบรกและดยุคที่ 1 แห่งเบดฟอร์ด เขาสมรสเป็นสามีคนที่สองของแคทเธอรีน วูดวิลล์ น้องสาวของเอลิซาเบธ วูดวิลล์ สมเด็จพระราชินีแห่งอังกฤษ
3. เอ็ดเวิร์ด ทิวดอร์
4. บุตรสาวซึ่งเป็นแม่ชี
5. บุตรสาวที่เสียชีวิตในวัยทารก

การสมรสถูกเปิดเผยในฤดูร้อนของปี ค.ศ. 1436 ซึ่งพระสุขภาพของพระนางกำลังย่ำแย่ พระนางอาจถูกส่งตัวไปอยู่ที่วิหารเบอร์มอนด์ซีย์ หรือไม่พระนางก็เลือกจะไปสวรรคตที่วิหารดังกล่าวเอง พระนางเสด็จสวรรคตในวันที่ 3 มกราคม ค.ศ. 1437 ด้วยพระชนมายุเพียง 35 พรรษา หลังการสวรรคตโอเวนถูกจับกุมและถูกจองจำจนถึงปี ค.ศ. 1439 เขาได้รับการอภัยโทษจากพระเจ้าเฮนรีที่ 6 ที่รักใคร่เอ็ดมุนด์และแจสเปอร์ พระอนุชาต่างบิดาของพระองค์และแต่งตั้งให้เป็นเอิร์ลแห่งริชมอนด์และเอิร์ลแห่งเพมโบรกตามลำดับ เอ็ดมุนด์สมรสกับมาร์กาเร็ต โบฟอร์ต บุตรของทั้งคู่จะกลายเป็นพระเจ้าเฮนรีที่ 7 แห่งอังกฤษ กาทรีนจึงเป็นพระอัยกีของกษัตริย์ราชวงศ์ใหม่ที่ปกครองอังกฤษ

พระบรมศพของกาทรีนถูกฝังที่วิหารเวสต์มินสเตอร์ร่วมกับพระบรมศพของพระเจ้าเฮนรีที่ 5