При сформировании в конце 1876 года действующей армии В. В. Каталей был назначен начальником её военных сообщений, а в марте следующего года перемещён на должность начальника 3-й гвардейской пехотной дивизии, во главе которой принял участие в обложении Плевны и отражении прорыва из неё турок 28 ноября. При преследовании турок, отступавших от Араб-Конака, Шандорника и Ташкисена, в декабре 1877 года, следуя верхом во главе роты, шедшей в авангарде, Каталей при селении Марковцы подвергся обстрелу ружейным огнём с дистанции 700 шагов и был убит на месте. Вместе с ним был убит и ехавший рядом командир бригады генерал-майор Д. А. Философов. В столице Болгарии — Софии, был установлен памятник погибшим генералам.