Katarina Stenbock föddes år 1535 som dotter till riksrådet Gustaf Olofsson (Stenbock) och Brita Eriksdotter (Leijonhufvud). Hon tillhörde den mäktiga och inflytelserika Stenbock och var genom sin mor systerdotter till drottning Margareta Leijonhufvud. Detta adliga nätverk placerade henne tidigt i centrum av den svenska makteliten under Vasa-dynastins tidiga skede.

År 1552, blott 16 år gammal, blev Katarina mot sin vilja utsedd till Sveriges drottning sedan kung Gustav Vasa sörjt sin tidigare gemål Margareta Leijonhufvud. Bröllopet ägde rum i Vadstena den 22 augusti 1552. Äktenskapet var stormigt på grund av hennes unga ålder och kungens auktoritära natur, men hon visade tidigt prov på pliktkänsla och takt i hovets ceremonier.

Som drottning under en turbulent period av svensk historia fick Katarina hantera hovlivets intriger och kungens ökande misstänksamhet mot adeln. Hon stod vid kungens sida under hans sista levnadsår, vilka präglades av sviktande hälsa och politiska spänningar inom kungafamiljen. År 1560 avled Gustav Vasa på Stockholms slott, och Katarina blev därmed Sveriges första drottningmoder.

Efter änkeblivelsen drog sig Katarina tillbaka till sina livgeding, däribland Strömsholms slott, där hon levde ett självständigt liv i över sex decennier. Hon överlevde inte bara sin gemål utan även samtliga sina styvbarn, inklusive kungarna Erik XIV, Johan III och Karl IX. Hon bevittnade därmed hela den äldre Vasa-tidens uppgång och kriser.

Under sin långa änketid ägnade hon sig åt förvaltningen av sina omfattande egendomar, fromhetsliv och välgörenhet. Hon kom att fungera som en levande länk till reformationens tidevarv och var en uppskattad medlare i släktkonflikter inom adeln. Hennes inflytelse sträckte sig långt utanför godsen genom omfattande korrespondens med landets makthavare.

Katarina avled den 13 december 1621 på Strömsholms slott vid en för tiden extrem ålder av 86 år. Hennes bortgång markerade slutet på en hel epok, då hon var den sista överlevande personen i Sverige med personliga minnen från Gustav Vasas hov. Hon begravdes med drottninglig värdighet i Uppsala domkyrka.