Na przełomie 1501/1502 przez pięć miesięcy była żoną Artura, starszego brata Henryka VIII. Siedem lat po śmierci męża poślubiła Henryka VIII.

Urodziła mu szóstkę dzieci (3 synów i 3 córki) jednak albo rodziły się martwe albo umierały po kilku dniach, tylko Maria I dożyła starości. Katarzyna, kobietą o przeciętnej urodzie, przez liczne ciąże jeszcze bardziej straciła na atrakcyjności.

W 1525 roku układy Henryka VIII z siostrzeńcem Katarzyny, cesarzem Karolem V, wyraźnie się popsuły. W tym czasie małżeństwo Henryka i Katarzyny było już, od kilku lat, małżeństwem tylko z nazwy. Król nie dzielił łoża z żoną i wiedział, że nie ma szans na legalnego potomka męskiego. Wśród ludu pojawiły się plotki o tym, że małżeństwo Henryka jest przeklęte. „Splamiły je kazirodztwo i morderstwo; Bóg karał Henryka za te ciężkie przewinienia, ‚nie pozwalając rozwijać się jego potomstwu’. Do kazirodztwa doszło, gdy Henryk poślubił wdowę po swym zmarłym bracie (…). Co do morderstwa przypominano sobie, że zanim doszło do małżeństwa Artura z Katarzyną, główny pretendent do tronu z dynastii Plantagenetów, hrabia Warwick, został stracony, aby nie dopuścić do podważenia tytułu Artura. Ta ofiara splugawiła małżeństwo, było ono w pewnym sensie ‚zrodzone z krwi’, dlatego więc niweczyły je, po pierwsze, prawie natychmiastowa śmierć księcia Artura, a następnie brak męskiego potomka w małżeństwie Henryka i Katarzyny.” (Carolly Erickson „Anna Boleyn”)
Henryk bardzo przejął się tymi plotkami. Często powracał do cytatu z Księgi Kapłańskiej: „Ktokolwiek biere żonę swojego brata, popełnia kazirodztwo. Odsłonił nagość swego brata – będą bezdzietni.”. Henryk zaczął więc szukać sposobu uwolnienia się z przeklętego związku.

Katarzyna przyjęła w tym czasie inną rolę – została łącznikiem mięzy swoim dworem a Anglią. Księżniczka cały czas była w Anglii cudzoziemką i było to można zauważyć na każdym jej kroku – mówiła płynnie po angielsku, ale z silnym akcentem, modliła się i spowiadała po hiszpańsku, jej służącymi i przyjaciółkami były Hiszpanki, otaczła się kapłanami i madykami z Hiszpanii , uczyła hiszpańskiego swoją córeczkę, źle się czuła w angielskich strojach i zachowała wiele gestów charakterystycznych dla Hiszpanów. Katarzyna dokładnie obserwowała sprawy wewnętrzne Anglii i przesyłała zaszyfrowane wiadomości na dwór siostrzeńca.Każdy list królowj do Hiszpanii był czytany przez zaufanych ludzi Henryka. Gdy na dwór angielski przybył ambasador Hiszpanii jeszcze bardziej ograniczono wolność królowej. Zabroniono jej prywatnych spotkań z ambasadorem Mendozą.

Henryk, zaślepiony uczuciem do Anny Boleyn, w 1527 roku zaczął się starać o unieważnienie małżeństwa przez papieża. Klemens VII był jednak pozbawiony swobody po tym jak w 1526 roku sojusznicy Karola V wtargnęli do pałacu papieskiego. Papież nie wyraził zgody co doprowadziło do zerwania z kościołem rzymsko-katolickim. Małżeństwo zostało unieważnione w 1533 roku przez Th. Cranmera. Katarzyna pozostała w Anglii żyjąc w odosobnieniu.