Catherine là con gái út của Quốc vương Charles VI của Pháp và Vương hậu Isabeau xứ Bavaria.[4] Bà sinh ra tại Hôtel Saint-Pol vào ngày 27 tháng 10, năm 1401. Khi đó, bà được dự định hứa hôn với Henry, Vương công xứ Wales, con trai cả của Henry IV của Anh nhưng Quốc vương qua đời trước khi hôn ước được định. Năm 1414, Henry V quyết định muốn lập lại khế ước hứa hôn năm xưa, nhằm đích đến là hồi môn của Công nương Catherine, Ngai vàng nước Pháp.

Từ nhỏ, mẹ bà là Vương hậu Isabeau đã giáo dục bà theo một nền học vấn mang tính tôn giáo.[5] Bà là chị gái của quốc vương Pháp tương lai Charles VII của Pháp đồng thời ông cũng là một đối thủ của chính con trai bà- sự kiện tranh chấp ngai vàng Pháp sau này.

Vua Henry V tiếp tục gây chiến với Pháp, dù đã thắng lớn tại Trận Agincourt, nhằm để gây sức ép cho cuộc hôn nhân giữa ông với Catherine. Tương truyền bà rất xinh đẹp và quyến rũ, khi nhà vua gặp Catherine tại Meulan-en-Yvelines, ông đã say mê bà. Năm 1420, tháng 5, một hiệp ước hòa bình diễn ra giữa Anh và Pháp, và quốc vương Charles VII đã chỉ định Henry nước Anh trở thành người kế vị của ông. Catherine và Henry đã tổ chức lễ cưới tại Troyes Cathedral vào ngày 2 tháng 6, năm 1420. Sau đó, Catherine cùng chồng trở về nước Anh và chính thức nhận Vương miện Vương hậu nước Anh tại Tu viện Westminster vào ngày 23 tháng 1, năm 1421.Ngoài ra, bà còn có danh hiệu là Nữ phu nhân xứ Wales.Tháng 6 năm đó, Henry trở lại nước Pháp nhằm thực hiện tiếp các chiến dịch quân sự.

Trong thời gian này, Catherine tại Lâu đài Windsor đã sinh ra Vương tử Henry vào ngày 6 tháng 12 năm 1421, tức Henry VI của Anh. Quốc vương Henry, chồng bà, không bao giờ có thể gặp được con trai mình, vì ông qua đời do bạo bệnh vào ngày 31 tháng 8, năm 1422.