Catalina de Valois nació el 27 de octubre de 1401 en París, Francia, hija del rey Carlos VI de Francia y la reina Isabel de Baviera. Era la hija menor de la pareja y la tercera más joven de los doce hijos que tuvieron, de los cuales cuatro murieron jóvenes.Se cree que Catherine tuvo una infancia solitaria, ya que fue abandonada por su madre y no tuvo una buena vida. Según fuentes históricas, la madre de Catalina la envió a un convento en Poissy para estudiar religión.
El padre de Catalina, el rey Carlos VI de Francia, estaba en guerra con Inglaterra. Enrique V de Inglaterra, hijo de Enrique IV de Inglaterra, ganó la batalla de Agincourt, que fue una de las primeras victorias en cien años de guerra. En 1420, se firmó el Tratado de Troyes entre el rey Carlos VI de Francia y Enrique V, que daría lugar a que Enrique V se casara con Catalina.
Enrique V vio a Catalina por primera vez en Meulan-en-Yvelines y quedó encantado de inmediato con su belleza. Se casaron en la iglesia parroquial de San Juan en junio de 1420, y Carlos VI también reconoció a Enrique V como heredero al trono francés. Tras su matrimonio, la pareja regresó a Inglaterra y Catalina fue coronada reina en la Abadía de Westminster en febrero de 1421. Unos días más tarde, el rey Enrique regresó a Francia para continuar su compromiso en la guerra.
En diciembre de 1421, la reina Catalina dio a luz a su hijo, el futuro Enrique VI, mientras que el rey Enrique estaba ocupado con la guerra en Francia. El rey nunca vio a su hijo ya que murió durante el sitio de Meaux en agosto de 1422. Catalina perdió a su padre a los pocos meses de perder a su marido. La muerte del rey Carlos VI convirtió al recién nacido Enrique VI en rey de Francia e Inglaterra. Como Catalina tenía solo 21 años, la corte real temía que pudiera volver a casarse, poniendo en peligro el futuro del joven Enrique VI.
El duque de Gloucester, Humphrey, se convirtió en el guardián del futuro rey y trató de proteger los intereses del joven rey de todas las formas posibles. Hubo muchos rumores de que Catalina quería volver a casarse, pero el duque no aprobó las opciones.
Sir Owen Tudor, un cortesano galés que estaba al servicio del mayordomo del difunto rey Enrique V, Sir Walter Hungerford, llamó la atención de Catalina. Tudor estaba a cargo de la casa de Catalina mientras vivía en el Castillo de Windsor cuandoambos se enamoraron. Quedó embarazada de su hijo, pero no había evidencia de que estuvieran casados. Había rumores de que ambos se habían casados en secreto. Sin embargo, incluso si estuvieran casados, las leyes no lo aprobarían. El parlamento otorgó a Owen Tudor los derechos de un inglés, y con la influencia de Catalina en la familia real, la dinastía Tudor comenzó a crecer. Aparte de su primer hijo, Enrique VII, que más tarde se convertiría en rey de Inglaterra, tuvieron cinco hijos más.
Durante el nacimiento de su último hijo, Catalina murió de complicaciones relacionadas con el parto, el 3 de enero de 1437. Sin embargo, corrió el rumor de que ella no murió de parto, sino de una enfermedad para la que había estado buscando una cura. Su cuerpo mortal descansa en la antigua Lady Chapel en la Abadía de Westminster, y con su muerte, Owen Tudor perdió su mayor apoyo en Inglaterra. Fue arrestado y enviado a prisión por violar la ley de volver a casarse con una reina viuda. Más tarde fue puesto en libertad y fue nombrado caballero por el rey Enrique VII.