เจ้าหญิงแคทเธอรีนประสูติในวันที่ 4 พฤษภาคม พ.ศ. 2456 ณ พระราชวังหลวง กรุงเอเธนส์ ไม่กี่สับดาห์หลังจากสมเด็จพระราชาธิบดีจอร์จที่ 1 แห่งกรีซ พระอัยกาทรงถูกลอบปลงพระชนม์ที่เมืองซาโลนิกา พระองค์เป็นพระราชธิดาองค์ที่สามและองค์สุดท้ายในสมเด็จพระราชาธิบดีคอนสแตนตินที่ 1 แห่งกรีซ พระราชโอรสในสมเด็จพระราชาธิบดีจอร์จที่ 1 แห่งกรีซ และ แกรนด์ดัชเชสโอลกา คอนสแตนตินอฟนาแห่งรัสเซีย กับ เจ้าหญิงโซฟีแห่งปรัสเซีย พระราชธิดาพระองค์ที่สามในสมเด็จพระจักรพรรดิฟรีดริชที่ 3 แห่งเยอรมนีและเจ้าหญิงวิกตอเรีย พระวรราชกุมารี เป็นพระราชธิดาองค์ใหญ่ในสมเด็จพระราชินีนาถวิกตอเรียและเจ้าชายอัลเบิร์ตแห่งแซ็กซ์-โคบูร์กและก็อตธา

เจ้าหญิงมีพระเชษฐาสามพระองค์คือ สมเด็จพระราชาธิบดีจอร์จที่ 2 สมเด็จพระราชาธิบดีอเล็กซานเดอร์ที่ 1 และสมเด็จพระราชาธิบดีพอลที่ 1 ซึ่งได้เป็นพระราชาธิบดีแห่งกรีซทุกพระองค์ และมีพระภคินีสองพระองค์คือ เจ้าหญิงเฮเลน ซึ่งอภิเษกสมรสกับสมเด็จพระราชาธิบดีคาโรลที่ 2 แห่งโรมาเนีย และ เจ้าหญิงไอรีน นอกจากนั้นยังเป็นพระญาติชั้นที่หนึ่งของเจ้าฟ้าชายฟิลิป ดยุคแห่งเอดินเบอระอีกด้วย เมื่อตอนทรงรับศีลล้างบาป พระองค์ทรงมีเหล่าทหารในกองทัพบกและกองทัพเรือกรีก ทั้งหมดเป็นพ่อและแม่ทูนหัว

ชีวิตในวัยเยาว์ของพระองค์เป็นแบบผสมระหว่างการเป็นเจ้าหญิงและคนเร่ร่อน เนื่องจากพระราชวงศ์กรีกต้องลี้ภัยเข้าและออกนอกประเทศ ในช่วงระหว่างสงครามโลกครั้งที่ 1 พระชนกและชนนีของเจ้าหญิงทรงถูกกล่าวหาว่าฝักใฝ่ฝ่ายเยอรมัน และความสัมพันธ์ระหว่างอังกฤษและกรีซตึงเครียดมากขึ้น พระชนม์ชีพของทั้งสองพระองค์ตกอยู่ในอันตราย อันที่จริงแล้วเจ้าหญิงแคทเธอรีนต้องทรงได้รับการปกป้องจากการถูกลักพาตัว ขณะที่ความทรงจำระยะแรกมีแต่ปืนกลและปืนไรเฟิล เมื่อปี พ.ศ. 2459 พระองค์ทรงอยู่ในอ้อมพระกรของพระชนนีที่วิ่งเป็นระยะทางสองไมล์จากพระราชวังตาตอย ซึ่งเป็นพระราชฐานของพระราชวงศ์กรีก ที่ส่วนหนึ่งถูกเผาโดยกลุ่มตำรวจลับ อีกหนึ่งปีต่อมาเมื่อพระชนมายุ 4 ชันษา เจ้าหญิงได้เสด็จลี้ภัยออกนอกประเทศพร้อมกับพระชนกและพระชนนีไปประทับยังประเทศสวิตเซอร์แลนด์