Den 1. april 1375 ble hun stigmatisert foran et kors i Pisa (dette korset ble senere gitt i gave fra Pisa og står den dag i dag i Katarinas kapell i hennes hjem)]: På underlig vis skal Jesus sårmerker ha vist seg på kroppen hennes, som riktig nok bare var gjenkjennelig for Katarina selv. I 1376 reiste Katarina til Avignon. Hun overbeviste pave Gregor XI., om å dra tilbake Roma. Et år senere begynte det store skismet vestlig kristendom, hvor Katarina understøttet pave Urban VI.. Etter hans ønske flyttet hun til Roma. Fra Roma kjempet hun for kirkens enhet og for en fredsløsning i det kriserammede Italia. Svært syk døde Katarina i en alder av 33 år den 29. april 1380 i nærheten av kirken Santa Maria sopra Minerva i Roma, hvor hun ble begravet på kirkegården. Etter at det ble fortalt at mirakler skal ha skjedd ved hennes grav, lot hennes skriftefar, Raymond av Capua, hennes levninger bringe til basilikaen, hvor de ble begravet i et skrin under høyalteret. Hennes hode ble innmontert i et hodereliquar av bronse og senere sendt til hennes hjemby Siena, hvor det ble overført Dominikanerkirken i en prosesjon. Basilikaen San Domenico i Siena har dessuten en tommelrelikvie av den hellige Katarina i eie. Da hennes relikvier for første gang ble ekshumert i 1430, var hennes kropp uskadd, ved den siste eksamineringen i 1855 var den fortsatt i forbausende god behold. Katarina av Siena ble kanonosert i 1461, og ble i 1939 erklært som skytshelgen for Italia. Pave Paul VI. utnevnte henne i 1970 til kirkelærer. I 1999 utnevnte von pave Johannes Paul II. henne sammen med den hellige Birgitta av Vadstena og den hellige Teresa Benedicta av Korset (bedre kjent under sitt borgerlige navn Edith Stein) til Europas skytshelgen.