Catarina nasceu na festa da Anunciação da Bem-aventurada Virgem Maria, no ano de 1413. Filha de João de Vigri, era membro da nobreza e, ainda jovem, foi enviada à corte do Marquês de Este, seu parente, para ser educada em Ferrara com a filha dele, Margarete, em todo o necessário à cultura de mulheres jovens de posição. Catarina era muito admirada por sua beleza, inteligência e pureza de alma, mas veio a perder interesse pelo esplendor da corte, renunciou aos pretendentes e, com 17 anos, uniu-se aos terciários franciscanos de Ferrara, os quais adotariam mais tarde a regra de Santa Clara.

A princípio, assumiu os encargos da cozinha e depois se tornou mestre das noviças. Foi nessa época que Catarina escreveu As sete armas espirituais, um importante tratado que reflete a profundidade mística de sua vida espiritual. Entre as suas obras contam-se muitos sermões, devoções e versos. Seus trabalhos artísticos incluem uma série de miniaturas e pinturas, na qual se destaca um breviário ilustrado.

Catarina foi agraciada com diversas visões extraordinárias. Ela mesma declara ter sido visitada por Nossa Senhora numa noite de Natal, que lhe pôs nos braços o Menino Jesus recém-nascido. Noutra ocasião, teve a graça de ouvir o coro dos anjos a cantar durante a consagração na Missa, e a partir daquele momento nunca mais se viu tentada a cochilar durante os exercícios religiosos.

Passados 24 anos no convento de Ferrara, foi enviada de volta à cidade natal, Bolonha, com outras 15 irmãs a fim de estabelecer um convento, onde ela serviria de abadessa pelo resto da vida. A santa morreu em 9 de março de 1463, gerando grande comoção na comunidade à qual amorosamente serviu por muitos anos. Johann Joseph von Görres, grande filósofo e escritor católico alemão, assim descreve certos episódios milagrosos da vida da santa:

Quando ela morreu e o túmulo foi aberto, as irmãs carregaram-lhe o corpo para ser sepultado sem caixão. Assim que o corpo desceu à sepultura, uma fragrância incrivelmente doce emanou, enchendo todo o cemitério e regiões próximas. Vários dias depois, quando as irmãs foram visitar o túmulo, a fragrância ainda estava lá. Não havia árvores, flores nem ervas no túmulo ou ao redor, o que tornava claro que o cheiro vinha do túmulo. 18 dias depois do enterro, milagres começaram a acontecer no local. Pessoas com doenças incuráveis foram curadas. As irmãs de repente sentiram-se culpadas de terem enterrado o corpo sem caixão porque, como resultado, a quantidade de terra deveria ter-lhe danificado o rosto. Elas pensaram que o corpo deveria ser exumado e posto num caixão. As irmãs foram aconselhar-se com o confessor do convento, que ficou bastante surpreso ao saber que, após 18 dias, o corpo ainda não começara a decompor-se. Quando as irmãs lhe disseram que a fragrância ainda emanava do túmulo, ele consentiu em exumá-lo. A face dela estava apenas levemente distorcida devido à pressão da terra. O corpo permaneceu branco e perfumado, sem qualquer sinal de decomposição. O perfume tornou-se ainda mais doce, invadindo a igreja e a vizinhança.

Depois de ser examinado por doutores e autoridades eclesiásticas, o corpo foi guardado numa cripta sob o altar, onde permaneceu por vários meses. Quando o exumaram de novo, puseram-no sobre uma maca de madeira e o levaram à cela em que a santa vivera. Quando os fiéis pediam para ver os restos sagrados, quatro irmãs tinham de carregar a maca até a cela do coro, onde o corpo era acomodado junto à estreita janela através da qual as irmãs recebiam a Santa Comunhão. As passagens e escadas apertadas tornavam penoso todo aquele trabalho. Urgia, pois, fazer mudanças. Construiu-se então uma urna especial, na qual puseram a santa sentada numa cadeira. A urna manteve-se no coro, voltada para a janela, aberta de quando em quando a pedido [dos fiéis]. O corpo, em posição elevada, podia ser visto mais facilmente por uma janela entre a capela e o coro. Essa disposição foi escolhida doze anos depois da morte da santa.

Santa Catarina apareceu em visão a uma das irmãs, Leonora Poggi, no final de 1500, e pediu-lhe que transladassem seu corpo a uma capela especial, especificando ela mesma o lugar e a disposição. Santa Catarina também solicitou que o corpo permanecesse sentado. Providenciaram a capela imediatamente, e a santa, retirada do relicário de madeira, foi custodiada num lugar de fácil acesso aos peregrinos, muitos dos quais beijavam os pés da relíquia com reverência e devoção.

No início de 1688, uma capela adjacente a essa, maior e mais bonita, foi construída e decorada com afrescos de Franceschini, Affener e Quaini. Em 11 de agosto de 1688, a relíquia foi levada solenemente para esta capela, onde se mantém até hoje.

Por mais de quatro séculos e meio, a relíquia permaneceu sem cobertura de proteção. Agora, porém, ela é cercada por uma urna de vidro, construída em 1953. Durante a II Guerra Mundial, as mãos e os pés danificaram-se um pouco, por isso foram cobertos com uma leve camada de cera. O rosto e o corpo ainda estão normais, mas a cor da carne é preta, efeito da queima tanto do óleo das lâmpadas usado na capela ao longo dos séculos como das muitas velas que os devotos queimavam perto da relíquia ainda desprotegida.

A cerimônia de canonização de Santa Catarina de Bolonha foi conduzida pelo Papa Clemente XI aos 22 de maio de 1712, o qual a declarou padroeira dos artistas.