Figlia del nobile veneziano Marco Cornaro, Caterina nacque a Venezia nel 1454.
Sposò nel 1468 Giacomo II di Lusignano re di Cipro che morì nel 1473. Caterina, che era incinta al momento della morte del marito, assunse la reggenza per il nascituro Giacomo III. Questi visse solo pochi mesi ma Caterina rimase sul trono grazie alla protezione di Venezia resistendo a una rivolta e alla rivalità di Carlotta di Lusignano.
Nel 1489 abdicò in favore della Repubblica Veneziana ottenendo, oltre a una pensione, la signoria di Asolo. Qui tenne una raffinata corte rinascimentale proteggendo artisti come Giorgione e Lorenzo Lotto ed ospitando Pietro Bembo che ambientò a Asolo la sua opera Gli Asolani.
Morì a Venezie il 10 luglio 1510 e fu tumulata nella chiesa dei Santi Apostoli. La sua salma fu trasferita nel 1584 nella chiesa di San Salvador.