Placée sous la protection directe du pape, elle y reçoit une éducation très soignée. Elle bénéficie ainsi d'une culture raffinée, imprégnée d'humanisme et de néoplatonisme. Elle quitte l'Italie en 1533, lorsque le pape fait alliance avec le roi de France, , qui prévoit de la marier à l'un de ses fils cadets, Henri, alors duc d'Orléans, afin de contrecarrer l'influence à Rome de Charles Quint. En tant qu'unique héritière de la branche aînée des Médicis (famille dominant alors Florence) et avec un oncle pape (à la tête des États pontificaux), Catherine représente, en effet, un parti utile pour dans le contexte des Guerres d'Italie. Néanmoins, seules les filles d'empereurs ou de rois étant considérées comme dignes de devenir reine de France, on préfère attendre un meilleur parti pour le dauphin et plutôt marier Catherine, d'origine roturière que son physique disgracieux est censé rappeler, au jeune frère du dauphin, Henri, non destiné à régner.