Catalina nació el 5 de octubre de 1422 en Illescas, fruto del matrimonio entre Juan II de Castilla y María de Aragón.^[4]​ y fue bautizada, con el nombre de Catalina por deseo de su padre en recuerdo de su abuela,^[4]​ por Diego Gómez de Fuensalida, obispo de Zamora.^[5]​

El rey se dirigió a Toledo, desde donde mandó llamar a la reina para que acudiera con su hija. La recién nacida infanta debía ir a aquella ciudad para ser reconocida y jurada como princesa heredera de la Corona. Juan II ordenó, entonces, que las Cortes se reunieran en Toledo, pero, debido a una epidemia de peste, el rey no pudo llamar a los procuradores.^[6]​ Por ello, partieron distintos caballeros en cuyas manos los representantes de las ciudades debían prestar el juramento que no pudieron realizar a la princesa en persona.^[7]​

La Crónica de los Reyes de Castilla describe el acto celebrado en una sala del Alcázar en enero de 1423, de la siguiente forma:^[8]​

[...] el infante Juan [el primero de los nobles] llegó a la cama donde estaba la princesa, y le besó la mano, y en las manos del rey hizo juramento y pleito de homenaje que en el caso que el rey falleciera sin dejar hijo varón legítimo... que desde entonces había a la princesa por reina y señora en estos reinos... y que guardaría su vida y salud y todo su servicio, a provecho y bien común de estos reinos, y desviaría todo mal y peligro de su persona y daño de sus reinos en cuanto él pudiese; y haría guerra y paz por su mandado de las villas y lugares y castillos que en estos reinos tenía, y la recibiría en ellos y en cada uno de ellos, airada o pagada, de día o de noche, con muchos o con pocos, como ella pluguiese; y que correría en todos sus lugares su moneda y no consentiría que corriese otra, y que haría y guardaría cerca de ella todas las cosas y cada una de las que el buen vasallo debe y es tenido de guardar a su rey y señor natural. Y esto hecho, el rey mandó que todos besasen la mano a la princesa y le hiciesen pleito y homenaje en las manos del infante Juan, teniendo el obispo de Cuenca el misal y la cruz en las manos, en que se producía el juramento.

Para festejar estos acontecimientos, se celebraron un torneo y varias justas en unos festejos que se alargaron una semana.^[9]​

El domingo 10 de septiembre de 1424 falleció Catalina en Madrigal de las Altas Torres,^[10]​ cuando aún no había cumplido los dos años de edad. La infanta Catalina recibió sepultura en el convento de agustinas, extramuros de Madrigal de las Torres.^[11]​^[a]​

La muerte de la princesa de Asturias dejó como única heredera a su hermana Leonor, que en aquel entonces tenía un año, a la espera de que la reina diera a luz al hijo que esperaba. El 5 de enero de 1425 nacería un varón, Enrique, que llegaría a ocupar el Trono como Enrique IV de Castilla.

• Cañas Gálvez, Francisco de Paula (2018). «Primogenitura, continuiodad dinástica y legitimidad institucional en Castilla a principios del siglo XV: Catalina de Trastámara, princesa de Asturias (1422-1424)». Espacio, tiempo y forma (Madrid: UNED) (31): 135-165. ISSN 0214-9745. 
• Pérez de Guzmán, Fernán; Galíndez de Carvajal, Lorenzo (1779). Crónica del señor rey don Juan, segundo de este nombre en Castilla y en León. Imprenta de Benito Montfort
• Risco, Manuel (1795). España sagrada. De la Iglesia exenta de Oviedo desde el medio del siglo XIV hasta fines del siglo XVIII. Tomo XXXVIII. Oficina de la viuda e hijo de Marín