Katarzyna urodziła się 2 maja 1806 r. w burgundzkiej wiosce Fain-les-Moutiers, w licznej rodzinie chłopskiej (była dziewiąta z jedenaściorga rodzeństwa). Kiedy miała 9 lat, zmarła jej matka. Nigdy nie uczęszczała do szkoły. Po pogrzebie matki Katarzynę zabrała ciotka Małgorzata. W tym czasie starsza siostra Katarzyny wstąpiła do Sióstr Miłosierdzia (szarytek). Kiedy rodzeństwo rozeszło się, ojciec wezwał Katarzynę, by pomogła mu w prowadzeniu gospodarstwa. Miała wówczas zaledwie 12 lat. Z całą energią zabrała się do nowych obowiązków, zajmując się ponadto wychowaniem najmłodszego brata i siostry.
Kiedy miała 20 lat i przekonała się, że w domu jej pomoc nie jest już nagląco potrzebna, wyznała ojcu, że pragnie wstąpić do szarytek. Ojciec stanowczo jednak odmówił i wysłał córkę do Paryża, do jej brata, Karola, żeby mu pomagała prowadzić tam skromną restaurację. Nie czuła się tam jednak dobrze i dlatego też, na własną rękę, przeniosła się do bratowej, by pomagać jej w prowadzeniu pensjonatu. Równocześnie nawiązała kontakt z siostrami miłosierdzia. Wstąpiła do nich w 24. roku życia. Po odbyciu postulatu i trzech miesięcy próby odbyła nowicjat w domu macierzystym zakonu w Paryżu. W domu na rue du Bac w Paryżu doznała mistycznych łask. Rzadki to wypadek, by już w nowicjacie, a więc na progu życia zakonnego, Pan Bóg obdarzał swoich wybrańców darem wysokiej kontemplacji aż do ekstaz i objawień. Katarzyna należała do tych szczęśliwych wybranek. Najgłośniejszym echem odbijały się po świecie objawienia dotyczące "cudownego medalika". Było ich w sumie pięć. Najbardziej znane są dwa.
W nocy z 18 na 19 lipca 1830 roku, kiedy Francja przeżywała rewolucję lipcową, w której został obalony król Karol X, podczas snu ukazał się Katarzynie anioł, zbudził ją i zaprowadził do kaplicy nowicjackiej. Tam zjawiła się jej Matka Boża, która skarżyła się na publiczne łamanie przykazań, zapowiedziała kary, jakie spadną na Francję i zachęciła Katarzynę do modlitwy i uczynków pokutnych.
Kilka miesięcy później, w nocy z 26 na 27 listopada 1830 roku, ten sam anioł w podobny sposób obudził Katarzynę i zaprowadził ją do kaplicy. Szarytka ujrzała Najświętszą Maryję Pannę stojącą na kuli ziemskiej, depczącą stopą łeb piekielnego węża. W rękach trzymała kulę ziemską, jakby chciała ją ofiarować Panu Bogu. Równocześnie Katarzyna usłyszała głos: "Kula, którą widzisz, przedstawia cały świat i każdą osobę z osobna". Niebawem obraz zmienił się. Matka Boża miała ręce szeroko rozwarte i spuszczone do dołu, a z Jej dłoni tryskały strumienie promieni. Usłyszała ponownie głos: "Te promienie są symbolem łask, jakie zlewam na osoby, które Mnie o nie proszą". Święta ujrzała następnie literę M z wystającym z niej krzyżem, dokoła 12 gwiazd, a pod literą M dwa Serca: Jezusa i Maryi. Dokoła postaci Maryi z rękami rozpostartymi ujrzała napis: "O Maryjo bez grzechu poczęta, módl się za nami, którzy się do Ciebie uciekamy". Pod koniec tego objawienia Katarzyna otrzymała polecenie: "Postaraj się, by wybito medale według tego wzoru".
Katarzyna o swoim objawieniu oraz o otrzymanym poleceniu zawiadomiła spowiednika, o. Aladela. Ten nie chciał sam decydować, ale poradził się arcybiskupa Paryża. Arcybiskup po wstępnym zbadaniu sprawy orzekł, że nie widzi w tym nic, co sprzeciwiałoby się nauce katolickiej. 30 czerwca 1832 roku wybito 1500 pierwszych medalików. Dla bardzo wielu łask zyskały one sobie tak wielką sławę, że zaczęto je szybko określać mianem "cudownego medalika". W ciągu 10 lat w samym tylko Paryżu wybito w różnych wielkościach ponad 60 milionów jego egzemplarzy. W roku 1836 arcybiskup Paryża zarządził kanoniczne zbadanie objawień oraz łask, jakie wierni otrzymali przez cudowny medalik. Raport komisji stwierdził wiarygodność tak objawień, jak i cudów. Wtedy biskup wydał oficjalną aprobatę.
Cudowny Medalik Niepokalanej nie był pierwszą w dziejach Kościoła katolickiego tego rodzaju formą czci Matki Bożej. Znaleziono już z wieku IV dwa medaliony z wizerunkiem Matki Bożej. Papieże w wiekach średnich podobne medale błogosławili i rozdzielali pomiędzy wiernych. Papież św. Pius V w 1566 roku udzielił nawet odpustu zupełnego dla tych, którzy będą go nosić. Z czasem jednak przestano je nosić. Cudowny medalik przywrócił ten chwalebny zwyczaj, a ponieważ współczesne medaliki są małe i bardzo lekkie, dlatego wiele osób bardzo chętnie je nosi. Nazwę "cudowny medalik" zatwierdziła Stolica Święta, a papież Leon XIII dekretem z dnia 23 lipca 1894 roku zezwolił na coroczne obchodzenie święta Objawienia Cudownego Medalika (dnia 27 listopada).

Mimo sławy objawień Katarzyna pozostała cicha i nieznana. Nie uczyniła bowiem ze swego objawienia sprawy publicznej - powiedziała o nim jedynie swojemu spowiednikowi. W 1831 r. Katarzyna znalazła się w hospicjum przy ulicy Picpus i tam, w ukryciu, dokończyła swego skromnego życia, wypełnionego uciążliwymi posługami około starców. Zmarła 31 grudnia 1876 r. Ciało Świętej spoczywa w kaplicy nowicjatu w domu macierzystym sióstr w Paryżu. W 24 lata po objawieniu medalika Niepokalanej papież Pius IX ogłosił dogmat Niepokalanego Poczęcia Maryi (1854), a w 4 lata potem Matka Boża objawiła się jako Niepokalane Poczęcie św. Bernadetcie Soubirous (1858). Beatyfikacji Katarzyny dokonał papież Pius XI 28 maja 1933 roku, a do chwały świętych wyniósł ją papież Pius XII w 1947 roku.