Katharina wurde am 6. Juni 1539 auf Burg Tre Kronor, dem Vorgängerbau des heutigen Stockholmer Schlosses, als älteste Tochter des schwedischen Königs Gustav I. Wasa und dessen zweiten Ehefrau Margareta Eriksdotter Leijonhufvud geboren. Ihre Mutter verstarb, als Katharina erst zwölf Jahre alt war. Wie alle ihre Geschwister hatte sie eine sehr sorgfältige Erziehung genossen und war gründlich in die Grundlagen des lutherischen Glaubens eingeführt worden.

Katharinas Vater Gustav hatte Schweden 1523 von der dänischen Fremdherrschaft befreit und war seit dem 6. Juni 1523 König des Landes. Er war stets bemüht, sein Land aus der Abhängigkeit von Dänemark zu lösen, das den Schweden weitgehend den Zugang zur Nordsee verwehrte. Daher fiel sein Blick auf Ostfriesland. Gustav sah in der Grafschaft eine Art Außenbastion fern des dänischen Einflusses. Vor allem die Hafenstadt Emden weckte sein Interesse. Er bot den dortigen Landesherren aus dem Hause Cirksena 1556 einen Handelsvertrag an. Um sein Angebot zu untermauern, regte er zudem die Hochzeit seiner Tochter mit Edzard II., dem künftigen Landesherren, an. Edzard zog die Eheverhandlungen aber in die Länge und verschob die Heirat immer wieder. Das wiederum kränkte den schwedischen König, der daraufhin mehrere wütende Briefe an den Ostfriesen schrieb. Schließlich willigte Edzard in die Hochzeit ein.

Die Vadstena-Affäre Cäcilie Wasa
Bei Katharinas Hochzeit mit Edzard II. kam es zu einem Skandal, der als Vadstenabullret (Vadstena-Affäre oder Vadstena-Lärm) in die Geschichte einging. Edzard war zu seiner Vermählung am 1. Oktober 1559 in Stockholm in Begleitung seines Bruders Johann II. angereist. Nach der Trauung blieben beide noch für einige Monate in Schweden. Weihnachten 1559 übernachteten sie im Schloss Vadstena. Dort ließ sich Johann auf eine Affäre mit Katharinas Schwester Cäcilie Wasa ein. Beauftragte ihres Halbbruders, des Kronprinzen Erik, erwischten das Paar in Cäcilies Schlafgemach in flagranti. Erik, der sich von seinem Vater unterdrückt fühlte, nutzte die Gelegenheit, um den König zu kränken. Er kümmerte sich nicht um Ruf und Ehre seiner Halbschwester und der Familie, sondern machte die Affäre offiziell bekannt. Gustav war als Begründer einer neuen Königsdynastie sehr auf seine Ehre bedacht und ließ Johanns verhaften und einkerkern. Damit war der Skandal perfekt, der nicht nur die schwedisch-ostfriesischen Beziehungen belastete, sondern in ganz Europa Aufsehen erregte. Edzard stand in der Folge mehr oder weniger unter Hausarrest. Johann drohte gar die Todesstrafe. Zahlreiche diplomatische Versuche der ostfriesischen Gräfin Anna, ihre Söhne aus der Haft freizubekommen, blieben erfolglos. Letztlich rettete Johann nur die Fürsprache vieler Potentaten einschließlich der Königin Elisabeth I. von England das Leben. Zeitgenössischen Berichten zufolge wurde Johann zur Strafe entmannt. Er blieb jedenfalls bis zu seinem Tode ehe- und kinderlos.

In Ostfriesland
Edzard kehrte mit seiner jungen Frau erst 1561 nach Ostfriesland zurück. Dort kaufte Katharina im Jahre 1565 die Herrlichkeit Pewsum von Hoyko Manninga. Damit gelangte Katharina auch in den Besitz der Manningaburg sowie der Pewsumer Mühle. Den Kaufpreis zahlte Katharina aus ihrem Brautschatz. Die neue Besitzerin ließ die Burg in der Folge prächtig erweitern. In Ostfriesland war Katharina vor allem im karitativen Bereich tätig. Sie ließ in Hage ein Krankenhaus errichten, sorgte für Medikamente und gab reichlich Almosen. Die Gräfin war eine tiefreligiöse Frau. Sie ließ zum Beispiel in Berum eine neue Kapelle bauen. Ihre Religiosität war jedoch ausgesprochen intolerant. Katharina machte sich als strenggläubige Lutheranerin dafür stark, dass vakante Pfarrstellen in Pewsum, Woquard und Loquard in der ansonsten mehrheitlich evangelisch-reformierten Krummhörn ausschließlich mit Predigern der wittenbergischen Konfession besetzt wurden. Diese Entscheidung hat bis heute Auswirkungen, da diese drei Orte immer noch lutherische Inseln bilden. Katharina konnte sich nie damit abfinden, dass ihr Mann Edzard II. sich die Herrschaft mit seinem Bruder teilen musste. So mischte sie leidenschaftlich bei den großen politischen Konflikten in der Grafschaft mit.
Mit ihrem Mann führte sie eine glückliche Ehe, in der sie als die willensstärkere den Ton angab. Insgesamt gebar sie sechs Söhne und fünf Töchter. Katharina galt als herrschsüchtig. Als sie nach dem Tode ihres Mannes die Ämter Norden und Berum als ihr Wittum übernahm, forderte sie von ihrem Sohn Enno III. die Gerichtsbarkeit und die Landesherrschaft über die beiden Ämter, aus denen ihr laut Heiratsvertrag lediglich alle Einkünfte zustanden. Mehrfach weigerte sie sich, Abgaben an ihren Sohn oder die Stände abzuführen. Erst als der Graf 200 Soldaten von Emden nach Berum verlegte, lenkte Katharina schließlich ein. Im Jahre 1610 verstarb Katharina im Alter von 71 Jahren auf Burg Berum.