Catarina sinh ra ở Cung điện Vila Viçosa, là người con gái thứ hai còn sống của João, Công tước thứ 8 xứ Bragança với vợ mình - Luisa de Guzmán.[3] Sau Chiến tranh Phục vị Bồ Đào Nha, cha bà được tôn làm quốc vương João IV của Bồ Đào Nha vào ngày 01 tháng 12 năm 1640. Với vai trò mới của mình, cha bà trở thành một trong những vị vua quan trọng nhất châu Âu, Bồ Đào Nha sau đó sở hữu một đế quốc thuộc địa rộng khắp, Catarina trở thành đối tượng kết hôn hàng đầu cho các hoàng gia châu Âu và bà được Juan José de Austria, Phó vương Aragon, François de Vendôme, Công tước xứ Beaufort, vua Louis XIV của Pháp và Charles II của Anh hỏi cưới. Lựa chọn cuối cùng được đưa ra là dựa vào việc triều đình Bồ Đào Nha xem bà như một cầu nối hữu dụng cho sự thiết lập liên minh giữa nước họ với Anh quốc, sau Hiệp ước Pyrenees được ký vào năm 1659, Bồ Đào Nha bị đồng minh Pháp bỏ rơi. Bất chấp cuộc chiến tranh không ngừng giữa đất nước mình với Tây Ban Nha,  Catarina vẫn có được một tuổi thơ hạnh phúc và mãn nguyện ở quê hương Lisboa thân yêu của mình.

Thường được coi là người nắm quyền đằng sau ngai vàng, Vương hậu Luisa còn là một người mẹ tận tụy, quan tâm tích cực đến việc nuôi dạy con cái và đích thân giám sát việc học của con gái. Catarina được cho là đã dành phần lớn tuổi trẻ của mình trong một nữ tu viện gần cung điện hoàng gia, nơi bà vẫn nằm dưới đôi mắt bảo vệ của mẹ mình. Dường như đây là một sự giáo dục bảo bọc, một người đương thời từng nhận xét rằng Catarina “được nuôi dạy một cách rất đỗi xa lánh với mọi người” và “hiếm khi ra khỏi cung điện quá mười lần trong đời”.[4] Chị gái của Catarina (Joana – Thân vương xứ Beira) qua đời năm 1653 và do đó Catarina trở thành người con lớn nhất còn sống của cha mẹ mình. Chồng bà do Luisa (nhiếp chính vương quốc sau khi chồng mình qua đời năm 1656) lựa chọn.[1]