Cataalina Micaela là con gái thứ hai của Felipe II của Đế chế Tây Ban Nha rộng lớn, và người vợ thứ ba của ông, Vương nữ Pháp Élisabeth xứ Valois[2]. Cô được đặt tên là Catalina Micaela để vinh danh bà ngoại của mình là Caterina de' Medici và Tổng lãnh thiên thần Micae.

Catalina được nhận xét là xinh đẹp, thông minh và nhận thức rõ về địa vị xã hội cao của mình. Mặc dù Felipe không tham dự lễ rửa tội của con gái và không vui mừng khi sinh con gái như khi ông với chị gái của cô, Isabel Clara Eugenia, nhưng cô có một mối quan hệ tốt với ông và hai cha con thường trao đổi thư từ trong suốt cuộc đời của cô.

Catalina có một mối quan hệ thân thiết với chị gái Isabel. Hai chị em lớn lên cùng nhau dưới sự chăm sóc của Margarita de Cardona, thị tùng của Anna của Áo, vợ kế của Felipe và một số thị tùng của Élisabeth, mẹ ruột của hai chị em như Claude de Vineulx. Bà của cô, Caterina nhà Medici, thường xuyên được báo cáo về Catalina và Isabel, và bà giữ ảnh chân dung của hai chị em trong sách kinh nguyện hằng ngày của mình.