4. října roku 1562, v pokročilém věku 36 let, se Kateřina ve Vilniusu (Litva) provdala za švédského prince Jana III. Švédského, knížete finského, aniž by vévoda Jan měl k tomuto sňatku svolení od svého staršího bratra, švédského krále Erika XIV. Novomanželé se usídlili na hradě ve finském Turku, kde drželi svůj vlastní dvůr.
Uvěznění
Erik XIV. Švédský považoval tento sňatek, který znamenal Janovo spojenectví s Polskem a Litvou, za spiknutí a vzpouru, vyhlásil svému nevlastnímu bratrovi válku a poslal 10 000 mužů, aby oblehli hrad v Turku, který 12. srpna 1563 kapituloval. Kateřina a její manžel byli odvezeni do Švédska, kde byli uvězněni na hradě Gripsholm nedaleko Stockholmu. Během uvěznění Kateřina porodila všechny tři své děti.
Královna
V roce 1568 kulminovaly spory krále Erika se šlechtou, k moci se dostal Jan a uvězněn byl naopak Erik. V roce 1569 byla Kateřina v uppsalské katedrále korunována královnou Švédska. Na svého manžela měla značný vliv a udělala mnoho ve prospěch katolicismu a protireformace, stejně jako její následnice a Janova druhá manželka Gunilla Bielke. Jan se snažil o jakýsi kompromis mezi katolicismem a protestantstvím. Kateřina měl vlastní katolické služebníky včetně několika katolických mnichů, což protestanty šokovalo. Z Říma přijel norský jezuita Laurentius Nicolai, kterého ubytovala ve starém františkánském klášteře a dovolila mu zde otevřít katolickou školu. Protestanti však na tuto školu zaútočili a v roce 1583 byla uzavřena. Kateřina také často navštěvovala starý klášter Vadstena. Později slavný Drottningholmský palác byl založen na její počest a je po ní i pojmenován.
V posledních letech života Kateřina trpěla dnou. Zemřela ve Stockholmu 16. září 1583 ve věku 61 let a je pohřbena v královské kryptě v katedrále v Uppsale.
Potomci
Z manželství Kateřiny a Jana se narodily tři děti, dvě dcery a syn, nejstarší dcera však zemřela v útlém věku.
Kateřina nechala vychovat svého syna v katolické víře, v roce 1576 jej poslala na výchovu k jezuitům do Braunsbergu. Zikmund se stal roku 1587 polským králem a litevským knížetem, roku 1592 pak se stal i králem švédským, jeho náklonnost ke katolictví a slabé vztahy s obyvatelstvem země však vedly v roce 1599 k jeho svržení ze švédského trůnu.
