Catarina nasceu no Paço Ducal de Vila Viçosa, como a segunda filha sobrevivente de João, 8º Duque de Bragança e sua esposa Luísa de Gusmão. Após a Guerra da Restauração Portuguesa, seu pai foi aclamado rei D. João IV de Portugal, em 1 de Dezembro de 1640. Apesar da luta contínua de seu país contra a Espanha, Catarina desfrutou de uma infância feliz e contente em sua amada Lisboa.