Caterina viene ricordata come fanciulla di stirpe regale, anche se nulla di preciso si sa sulla sua famiglia e la sua nascita. Nel 305, in seguito alle dimissioni degli Augusti Diocleziano e Massimiano, il Cesare Galerio fu nominato Augusto, e a sua volta nominò Cesare il nipote Massimino Daia, il quale ordinò in Alessandria d'Egitto grandi feste in proprio onore. Celebrandosi sacrifici agli dèi pagani, Caterina si presentò di fronte all'imperatore, e per rincuorare i cristiani perseguitati lo invitò a desistere dall'idolatria. L'imperatore convocò numerosi sapienti per convincere Caterina a rinunciare alla fede, ma furono al contrario loro ad essere convertiti da lei. Allora Massimino la condannò ad essere straziata da una ruota con uncini acuminati; la ruota si ruppe e le schegge uccisero i carnefici. Dopo aver convertito la moglie stessa dell'imperatore, Caterina venne decapitata; gli angeli portarono il suo corpo sul Sinai, su un monte chiamato da allora Gebel Katherin (la Montagna di Caterina), accanto a Gebel Musa (la Montagna di Mosè); dal suo corpo, e poi dal suo sepolcro, sgorgavano latte e olio miracoloso. Infine le sue spoglie furono trasportate in un monastero ai piedi del monte.

Caterina fu dichiarata Dottore della Chiesa, per la disputa vittoriosa con i sapienti pagani; ed è ricordata come una dei quattordici Santi Ausiliatori . Il culto in Oriente è molto antico, e documentato anche in Occidente almeno dall'VIII secolo.

Suoi attributi sono il libro, la ruota dentata, la spada della decapitazione. È patrona delle giovinette, soprattutto delle sartine, da lei dette "Caterinette". Per la sapienza è patrona di tutte le arti liberali. Per il supplizio della ruota è patrona delle professioni che hanno a che fare con ruote, o con lame e ferri acuminati: carradori, mugnai, tornitori, arrotini, barbieri ecc. Per il latte che sgorgò dal suo collo reciso è protettrice di balie e nutrici.