Дочь герцога Урбинского Лоренцо II Медичи, который был сыном Петра Медичи и племянником папы Льва X, и французской принцессы Магдалины де ла Тур д'Овернь. Детство рано осиротевшей Екатерины совпало с бурными годами политической жизни Флоренции, старавшейся отстоять свою политическую независимость. Когда Флоренция пала, Екатерина уехала в Рим. В октябре 1533 стараниями своего дяди, папы римского Климента VII, Екатерина была выдана за второго сына короля Франциска I герцога Орлеанского, впоследствии короля Франции (с 1547 года) Генриха II. Молодая принцесса сумела снискать себе расположение тестя и мужа. В 1544 г. рождение у нее сына Франциска обрадовало весь двор, так как, наконец, рушились опасения, что Екатерина неспособна дать наследника будущему королю Франции (всего у нее было 10 детей, из которых выжили 4 мальчика и 3 девочки). Но около этого времени дофин Генрих увлекся Дианою де Пуатье. Е. сумела скрыть чувство ревности, и даже поддерживала наружно хорошие отношения со своей соперницей. Неожиданная смерть Генриха II передавала, по-видимому, власть в руки овдовевшей королевы, так как 16-летний король Франциск II был очень послушным сыном и притом не проявлял способностей к делам государственным, но Гизы, родственники жены короля Марии Стюарт, успели приобрести влияние на Франциска II и захватить власть. Когда Франциску наследовал брат его, Карл IX, которому было всего 10 лет, управление страною перешло в руки Екатерины. Вскоре оказалось, что честолюбие Екатерины далеко не находилось в соответствии с ее талантами. Женщина без политических и нравственных правил, довольно индифферентная даже в религиозном отношении, она стремилась только к тому, чтобы господствовать над Францией, и ревниво оберегала свою власть. Вся государственная мудрость ее сводилась к заботам об уравновешивании сил различных политических партий, так чтобы ни одна из них не взяла верх и не стала опасною для нее самой. Интрига была главною пружиною политики Екатерины. Лицемерная, холодная, бессердечная, она не стеснялась в выборе средств для достижения своей цели. Ее не могло остановить даже преступление, если при помощи его она рассчитывала избавиться от какого-нибудь опасного для себя врага. Недаром называла она сочинение Макиавелли: “Il Principe” своею библиею. Повсюду были у нее шпионы. Она зорко следила за всеми выдающимися лицами и перехватывала частную корреспонденцию. Во внешней политике Екатерина держалась тех же начал, что и во внутренней: смотря по обстоятельствам, она готова была сближаться то с католическими, то с протестантскими державами и избегала войны. Отсутствие твердых принципов и постоянные интриги привели ее, наконец, к злодеяниям Варфоломеевской ночи. Состоявшееся перед тем сближение правительства с гугенотами позволило Колиньи приобрести влияние на короля в убедить его в необходимости войны с Испанией. Это шло вразрез с нерешительной, изменчивой, двойственной политикой Екатерины. Она решилась отделаться от адмирала; 22 августа 1572 г. последовало покушение на жизнь Колиньи, а затем, в ночь с 23 на 24 августа, резня гугенотов (Варфоломеевская ночь). Екатерина достигла своей цели: она возвратила себе полное влияние на сына-короля. Последовавшее в следующем 1573 г. избрание Генриха Анжуйского на польский престол немало обрадовало ее, потому что вознаграждало за неудавшийся план женить этого любимца-сына на королеве Англии Елизавете II. После смерти Карла IX, до возвращения Генриха из Польши Екатерина управляла государством в качестве регентши. Генрих III вполне подчинился влиянию матери; но положение ее теперь было еще более трудным, нежели в предыдущее царствование. Страна была разорена, финансы находились в самом плачевном состоянии, анархия достигла своего апогея; между тем Екатерина продолжала держаться прежней политики. В царствование Генриха III были четыре религиозные войны. Екатерина, вместе с королем, постаралась первые три во что бы то ни стало поскорее прекратить; но это требовало уступок гугенотам, возбуждавших сильное раздражение среди католиков. Когда образовалась Священная лига, Екатерина старалась сблизиться с Генрихом Гизом, но ей не удалось восстановить ни своего авторитета, ни авторитета Генриха III. В деле убиения Генриха Гиза Генрих III поступил самостоятельно, не посоветовавшись предварительно с матерью. Из многочисленных политических замыслов Екатерины можно упомянуть еще о безуспешном выступлении ее кандидаткой на португальский престол, после того как царствовавший там королевский дом угас в 1580 г. Свои сомнительные права на вакантную корону она основывала на происхождении, по материнской линии, от Роберта, старшего сына португальского короля Альфонса III.

Только в одном отношении Екатерина оставила по себе добрую память: она любила искусство и покровительствовала художниками. 15 октября 1581 в Париже королева-мать представила своим гостям первый в истории публичный балет – "Комичный балет королевы". Постройка Тюльирийского дворца была предпринята по ее распоряжению. Что касается веры ее в астрологию, то она была вполне детищем своего времени.