Catalina Jagellón nació en Cracovia el 1 de noviembre de 1526, hija del rey Segismundo I Jagellón el Viejo y su segunda esposa, Bona Sforza de Milán. Tenía una hermana, Eduviges, del primer matrimonio de su padre y cuatro hermanos más del matrimonio de Segismundo con Bona, Isabela, Segismundo, Sofía y Ana.
Como sus hermanas, su matrimonio fue una cuestión de estado. Su destino se encontraba en el norte, dónde Catalina se casó el 4 de octubre de 1562 con el duque Juan de Finlandia. Esta unión no agradó a Erico XIV, rey de Suecia y hermano de Juan, al que ordeno encarcelar por alta traición. Encerrado en el castillo de Gripsholm, Catalina no dudó en acompañarlo en sus años de reclusión. Durante el cautiverio, nacieron dos hijos, Isabel y Segismundo. Ana, la tercera hija, nacería después de que el matrimonio fuera liberado en 1567.
Dos años después, una rebelión destronaba a Eriko y Juan de Finlandia se convertía en rey de Suecia. Catalina, con reina consorte, participó activamente en la política del reino sueco e impulsó la fe católica ayudando a los jesuitas a instalarse en el país escandinavo. Su férrea determinación religiosa acarreó algún que otro problema a su marido, presionado por los aristócratas luteranos.
El 16 de septiembre de 1583 Catalina fallecía tras una larga y agónica enfermedad. Sus restos reposan en la Catedral de Upsala.