Katarina var yngste barn av fem til kong Sigismund I av Polen (av den jagellonske slekt) og Bona Sforza av Milano. Hun lærte seg foruten polsk å tale latin og italiensk. Etter farens død i 1548 forlot hun Kraków og bosatte seg med sin mor og sine søstre i Masovia (Czaplinski). Hennes bror, Sigismund II August, hadde ikke noe nært forhold til sine søstre, og etter at hennes mor hadde vendt tilbake til Italia i 1558 levde Katarina og hennes søster Anna under ganske uvisse og knappe forhold.