Công tước Carlo Emanuele I của Savoia gợi ý rằng mình nên kết hôn với Catalina Micaela để giành được sự ủng hộ của Tây Ban Nha đối với kế hoạch mở rộng xứ Savoia trên bờ biển của nước Pháp lúc bấy giờ đã suy yếu. Đám cưới diễn ra ở Zaragoza vào ngày 11 tháng 3 năm 1585 và cặp đôi đã đến Turin ở Savoia vào ngày 10 tháng 8 năm 1585.

Catherine Michaela ban đầu không được yêu thích vì tính kiêu ngạo của mình và nỗ lực giới thiệu sự hào hoa, lễ nghi và cách ăn mặc của người Tây Ban Nha với triều đình ở Turin. Tuy nhiên, cô sớm nhận được sự kính trọng vì khả năng chính trị và ngoại giao của mình để bảo vệ quyền tự trị của Savoia trước Tây Ban Nha. Cô đã từ chối đề nghị thiết lập đồn trú của quân Tây Ban Nha ở Turin từ Milano để cung cấp lực lượng bảo vệ cô.

Catalina được cho rằng có ảnh hưởng lớn đến Carlo Emanuele. Bà cũng giữ chức nhiếp chính nhiều lần trong thời gian công tước vắng mặt trong các chiến dịch quân sự, chẳng hạn như trong chiến dịch Lyon năm 1594. Catalina Micaela cũng mang lại lợi ích cho đời sống văn hóa ở Savoia với việc thành lập nhiều tòa nhà mới bao gồm một phòng trưng bày nghệ thuật. Dưới ảnh hưởng của mình, các con trai của Catalina Micaela đã được giáo dục ở Tây Ban Nha.

Catalina Micaela qua đời vào năm 1597; trước đó đầu năm bà đã bị. Cha bà, Felipe II của Tây Ban Nha, qua đời vào năm sau.