กาทรีนแห่งวาลัวเสด็จพระราชสมภพในปารีสเมื่อวันที่ 27 ตุลาคม ค.ศ. 1401 ทรงเป็นพระราชธิดาของพระเจ้าชาร์ลส์ที่ 6 แห่งฝรั่งเศสกับอิซาบูแห่งบาวาเรีย พระมเหสี ทรงเป็นคนสุดท้องในบรรดาพี่น้องสิบสองคน พระเชษฐภคินีของพระองค์เคยเป็นพระราชินีแห่งอังกฤษก่อนหน้าพระองค์จากการอภิเสกสมรสกับพระเจ้าริชาร์ดที่ 2 (อิซาเบลแห่งวาลัว) วัยเยาว์ของพระองค์เต็มไปด้วยความขัดแย้งและขัดสนภายในราชวงศ์ อาการป่วยทางจิตของพระบิดาและการถูกทอดทิ้งของพระมารดาทำให้พระองค์มีชีวิตวัยเด็กที่ไม่ค่อยมีความสุขนัก