Hat hónapos korában Rómába került nagynénjéhez, Clarice de’ Medicihez (1493–1528), majd 1525-ben visszaküldték Firenzébe, ahol Silvio Passerini (1469–1529) bíboros felügyelete alá került. Együtt nevelkedett nagybátyja (VII. Kelemen pápa) törvénytelen fiával, Alessandro de’ Medicivel (1510–1537) és egy másik törvénytelen rokonnal – Giuliano de’ Medici, Nemours hercegének fiával –, Ippolito de’ Medicivel (1511–1535). Medici Katalin palotája magas falai között szorgalmasan tanulta a latin és görög nyelvet, zenét, táncot és egyéb ismereteket, amelyek egy előkelő reneszánsz dáma műveltségének elemeit alkották. A szép, délceg megjelenésű Ippolito, aki szerette a katonák és művelt emberek társaságát Katalin szemében az eszményi Medici volt. Kapcsolatuk nem tudott kibontakozni, mivel az 1527–es esztendő beleszólt abba. Róma feldúlásának "(Sacco di Roma)" és VII. Kelemen pápa fogva tartásának híre eljutott Firenzébe, ennek hatására a polgárok – a család történetében immár harmadszor – száműzték a Medicieket, s ezt Clarice – aki maga is tagja volt a családnak – is így akarta, aki szintén republikánus (köztársaságpárti) nézeteket vallott. Passerini bíboros és három fiatal gyámolítottjának el kellett hagynia a Medici–palotát és távoznia a városból. Azonban a „duchessina” – ahogyan a firenzeiek nevezték – nem távozott Firenzéből, túszként tartották a városban, nevelését pedig a Murate-apácák vették át.