Rođena je 13. aprila 1519. u Firenci. Bila je ćerka vojvode od Urbina, Lorenca II Medičija i Madlene de la Tur od Overnje. Roditelji su joj preminuli samo nekoliko dana nakon što je rođena, a od njih je nasledila titule kontese od Overnje i vojvotkinje Urbina. Katarina je bila burbonjska princeza, sa mešavinom francuske i italijanske plemićke krvi. Od roditelja je nasledila veliko bogatstvo, pa je, kada je stasala u devojku, bila dobra prilika za udaju. O njoj je tokom detinjstva brinuo njen stric Klement VII, koji joj je obezbedio najbolje obrazovanje i time se svrstala u moćno oruđe porodice Mediči.
Udala se putem ugovorenog braka, za vojvodu od Orleana, Anrija, već 1533. Anri je bio sin tadašnjeg francuskog kralja, kada je od svog oca Anri nasledio krunu, 1547. godine, Katarina je imenovana francuskom kraljicom. Iz ovog braka, izrodilo se desetoro dece, od kojih je sedmoro preživelo. Dok su joj deca bila mala, Katarina je bila posvećena majka i glavna dama na dvoru, koja je vodila brigu o potomstvu i domaćinstvu.
Tokom 1552. godine bila je prinuđena da postane regent Francuske, zato što je njen muž Anri vodio Italijanski rat i opsadu grada Meca. Njeno regentstvo nije prošlo najslavnije. Naime, tada se dogodio verovatno jedan od najvećih poraza francuske vojske, kada je kod Sen Kventina vojska poražena od Španije. To je, čini se, bila prelomna tačka Katarininog života.
Ozbiljnu političku krizu Katarina je doživela kada je 1559. godine umro njen suprug, a na tron je došao njen sin Fransoa II, koji se oženio škotskom kraljicom Meri Stujart. Fransoa i Meri su javno zatražili od Katarine da se povuče iz političkih voda. Tada otpočinje njena borba protiv porodice Giz, koja je imala svu suštinsku vlast u Francuskoj. Katarina se, praktično, borila protiv Gizovih koji su uticali na brak njenog sina i Meri, a u pomoć su joj pritrčali neprijatelji krune – Španci. Ipak, njena borba bila je oličenje borbe za dobrobit krune porodice Valoa.
Na proleće 1560. godine su Hugenoti pokušali da ubiju njenog sina i braću Giz, a ovu zaveru su Gizovi ugušili u krvi. Tada je Katarina, kao regent svog sina, maloletnog kralja Fransoa, izdala Ambroaz Edikt, čime je praktično zagarantovala slobodu Hugenotima, a porodici Giz je zabranjeno dalje delovanje protiv sitnog plemstva. Krajem iste godine, njen sin Fransoa je iznenada preminuo, a Katarina je izborila namesništvo za sina Šarla IX.
Sledeća cela dekada u Katarininom životu bila je obeležena teškim stvarima. Očajnički se borila protiv katoličkih ekstremista kako bi izvojevala nezavisnost krune, a paralelno sa time vodila su se tri građanska rata. U želji da pomiri katolike i protestante, otpočela je privredne reforme i osnovala komisiju koja će imati za cilj da reši verske sukobe i pomiri frakcije. Naravno, protiv sebe je od prvog trenutka imala suprotstavljenu porodicu Giz. Tada je počelo gotovo neprekidno krvoproliće između katolika i protestanata. Naposletku, krhki mir uspostavljen je primirjem u Sen Žermenu 1570. godine, na koji Katarina nije imala direktnog uticaja, ali ipak – pisanjem edikta, ozbiljno je osramotila porodicu Giz.
U dve godine po uspostavljanju mira, Katarina je bila pobornica politike opšteg pomirenja, a svoju ćerku Margaritu udala je za protestantskog princa, Anrija od Navare, koji je nekoliko godina kasnije postao francuski kralj Anri IV.
Međutim, mir je brzo bio poljuljan, a događaj koji će uslediti ostaviće trajnu mrlju na Katarininoj karijeri. U noći između 23. i 24. avgusta 1572. godine, usledio je napad na sve protestante koji su se tada našli u Parizu, zbog svadbe Anrija i Margaret. Ovu noć istorija će zapamtiti kao Vartolomejsku noć. Ovaj masakr kroz istoriju se vezuje za Katarinu i njoj se pripisuje krivica, iako je ostalo nejasno zašto bi to uradila imajući u vidu njeno zalaganje za rešavanje verskih pitanja u Francuskoj, posebno pitanja protestanata. Neposredno posle masakra, Katarina je forsirala da njen sin Anri Anžujski preuzme presto u Poljskoj, što se i dogodilo u maju 1573. godine, a kada je naredne godine umro Šarl IX ona je ponovo preuzela namesništvo do povratka Anrija iz Poljske. Njen sin vratio se kao kralj Francuske, Anri III.
Ovog puta, njeno namesništvo nije bilo upraviteljskog karaktera, već više savetodavnog. Do 1584. vodila je brigu o smirivanju situacije u odnosima sa Španijom, jer je znala da bi potencijalni rat urušio Francusku, ali i porodicu Valoa.
Umrla je 1586. godine. Katarinin život i političko delovanje do danas su ostali pod velom misterije. Nepokolebljivost u stavovima, oštrina i visprenost, privrženost kraljevskom domu Valoa, ali i žrtve koje je položila zbog svega navedenog, nadenule su joj nadimak „Đavolja kraljica“. Ipak, sve zasluge za opstanak Francuske države u mračnom srednjem veku, kao i uspostavljanje relativno podnošljivog suživota između katolika i protestanata, pripadaju upravo njoj.
