Catherine được sinh ra tại Cung điện Ducal của Vila Viçosa, là con gái thứ hai còn sống của John, Công tước Braganza thứ tám và vợ ông, Luisa de Guzmán. Sau chiến tranh phục hồi Bồ Đào Nha, cha cô được tuyên bố là vua John IV của Bồ Đào Nha, vào ngày 1 tháng 12 năm 1640. Với vị trí mới của cha là một trong những vị vua quan trọng nhất của châu Âu, Bồ Đào Nha sau đó sở hữu một đế chế thực dân rộng rãi, Catherine trở thành lựa chọn chính cho một người vợ cho hoàng gia châu Âu, và cô được cầu hôn cho John của Áo, François de Vendôme, duc de Beaufort, Louis XIV và Charles II. Việc cân nhắc lựa chọn cuối cùng là do cô được coi là một ống dẫn hữu ích để ký kết liên minh giữa Bồ Đào Nha và Anh, sau Hiệp ước Pyrenees năm 1659, nơi Bồ Đào Nha bị Pháp bỏ rơi. Mặc dù đất nước của cô đang phải vật lộn với Tây Ban Nha, Catherine vẫn có một tuổi thơ hạnh phúc, mãn nguyện ở Lisbon yêu dấu của mình.

Thường được coi là quyền lực đằng sau ngai vàng, Luisa cũng là một người mẹ tận tụy, quan tâm tích cực đến việc nuôi dưỡng con cái và đích thân giám sát việc giáo dục của con gái. Catherine được cho là đã dành phần lớn tuổi trẻ của mình trong một tu viện gần cung điện hoàng gia, nơi cô vẫn ở dưới con mắt cảnh giác của người mẹ luôn bảo vệ của mình. Nó dường như là một sự giáo dục rất được che chở, với một nhận xét đương thời rằng Catherine, "đã được nghỉ ngơi hết sức" và "hầu như không được ra khỏi cung điện mười lần trong đời". Chị gái của Catherine, Joana, Công chúa Beira, mất năm 1653, để lại Catherine là đứa con lớn nhất còn sống của cha mẹ cô. Chồng cô được Luisa chọn, người đóng vai trò nhiếp chính của đất nước sau cái chết của chồng cô năm 1656.