Była przedostatnim z dwudziestu pięciu dzieci mieszczańskiej rodziny Jakuba Benincasy i Lapy Piangenti – córki poety Nuccio Piangenti. Przyszła na świat jako bliźniaczka, ale jej siostra, Janina, zaraz po urodzeniu zmarła.
Katarzyna już jako kilkuletnia dziewczynka była przeniknięta duchem pobożności. Wspierana Bożą łaską w wieku 7 lat (w 1354 r.) złożyła Bogu w ofierze swoje dziewictwo. Katarzyna już od wczesnej młodości marzyła o całkowitym oddaniu się Panu Bogu. Dlatego wbrew woli rodziców obcięła sobie włosy i zaczęła prowadzić życie pokutne. Zamierzała najpierw we własnym domu uczynić sobie pustelnię. Kiedy jednak okazało się to niemożliwe, własne serce zamieniła na zakonną celę.
Pomimo wielu trudności ze strony rodziny, w 1363 roku wstąpiła do Sióstr od Pokuty św. Dominika (tercjarek dominikańskich) w Sienie i prowadziła tam surowe życie. Modlitwa, pokuta i posługiwanie trędowatym wypełniały jej dni. Jadła skąpo, spała bardzo mało, gdyż żal jej było godzin niespędzonych na modlitwie. Często biczowała się do krwi. W wieku 20 lat była już osobą w pełni ukształtowaną, wielką mistyczką. Pan Jezus często ją nawiedzał sam lub ze swoją Matką.
Pod koniec karnawału 1367 roku, gdy Katarzyna spędzała czas na nocnej modlitwie, Chrystus Pan dokonał z nią mistycznych zaślubin, zostawiając jej jako trwały znak obrączkę. Od tej chwili Katarzyna stała się posłanką Chrystusa. Przemawiała odtąd i pisała listy w imieniu Chrystusa do najznakomitszych osób ówczesnej Europy, tak duchownych, jak i świeckich. Skupiła ponadto przy sobie spore grono uczniów – elitę Sieny – dla których była duchową mistrzynią i przewodniczką.
Święta Katarzyna ze Sieny Katarzyna miała wielu wrogów. Uważano za rzecz niespotykaną, by kobieta mogła tak odważnie przemawiać do kapłanów, biskupów, a nawet do papieży w imieniu Chrystusa, ogłaszać się publicznie Jego posłanką. Pod naciskiem opinii wezwano więc przed trybunał inkwizycji do Florencji. Kościelny przewód sądowy odbył się w klasztorze Dominikanów przy kościele S. Maria Novella. Było to w samą uroczystość Zesłania Ducha Świętego, 21 maja 1374 roku. Katarzyna miała jednak przy sobie nie tylko oskarżycieli, ale również obrońców. Sąd inkwizycyjny nie dopatrzył się żadnej herezji ani błędu, tak w jej wypowiedziach, jak też w jej pismach.
Zaledwie Katarzyna wróciła do Sieny, miasto nawiedziła dżuma. Katarzyna oddała się posłudze zarażonym z heroicznym oddaniem. W nagrodę za to 1 kwietnia 1375 roku otrzymała od Chrystusa stygmaty (jednak nie w postaci ran, lecz krwawych promieni).
Podczas licznych konfliktów na terenie Italii i w samym Kościele była orędowniczką pokoju i mediatorem. Domagała się od kolejnych papieży (najpierw od
bł. Urbana V, a potem od Grzegorza XI) powrotu z Awinionu do Rzymu.
Wielu mężczyznom i kobietom, pochodzącym z różnych warstw społecznych, pomogła wejść na drogę cnoty lub osiągnąć pokój.
Umarła z wyczerpania 29 kwietnia 1380 r. w Rzymie w wieku 33 lat. Pius II 26 czerwca 1461 roku w bazylice św. Piotra dokonał uroczystej kanonizacji Sługi Bożej.
W nagrodę za poniesione trudy w obronie Kościoła Pius IX w roku 1866 ogłosił św. Katarzynę drugą, po św. Piotrze, patronką Rzymu. W roku 1939 Papież Pius XII proklamował św. Katarzynę ze Sieny drugą, obok św. Franciszka z Asyżu, patronką Italii, a Paweł VI w 1970 roku ogłosił ją doktorem Kościoła. Papież św. Jan Paweł II ogłosił ją w 1999 roku współpatronką Europy.
