น้ำหนักตัวของแคทเธอรีนเพิ่มขึ้นอย่างมากจนมากเกินไป อีกทั้งโรคเกาต์และปัญหาสุขภาพอื่น ๆ ก็ยิ่งย่ำแย่ บันทึกช่วงบั้นปลายชีวิตของแคทเธอรีนที่เขียนโดยเฟร์นัน เปเรซ เด กุซมัน ซึ่งหลงเหลือมาจนถึงปัจจุบันเล่าว่าพระองค์ตัวสูงมากเมื่อเทียบกับผู้หญิงทั่วไปและมีขนาดตัวที่อ้วน ทรงมีผิวสีขาว เด กุซมันยังกล่าวอีกว่าทรงมีลักษณะท่าทางคล้ายคลึงกับผู้ชาย

พระราชินีแคทเธอรีนสิ้นพระชนม์ที่บายาโดลิดในวันที่ 2 มิถุนายน ค.ศ. 1418 ด้วยอาการเส้นเลือดในสมองแตกในวัย 45 พรรษา ร่างของพระองค์ถูกฝังเคียงข้างพระสวามีที่กาปิยาเดโลสเรเยสนูเอโบสในอาสนวิหารโตเลโด

พระเจ้าฆวนที่ 2 พระโอรสของพระองค์ได้สมรสกับอีซาแบลแห่งโปรตุเกส พระนัดดาของฟิลิปปาแห่งแลงคัสเตอร์ พระเชษฐภคินีต่างมารดาของแคทเธอรีน ทั้งคู่มีพระธิดาคือสมเด็จพระราชินีนาถอิซาเบลที่ 1 แห่งกัสติยา ซึ่งต่อมามีพระธิดาคือกาตาลินาแห่งอารากอน พระมเหสีคนแรกของพระเจ้าเฮนรีที่ 8 แห่งอังกฤษซึ่งได้รับการตั้งชื่อตามพระปัยกี (แคทเธอรีนในภาษาอังกฤษ = กาตาลินาในภาษาสเปน)