Figlia del duca di Lancaster Giovanni Plantageneto (a sua volta figlio di Edoardo III re d'Inghilterra) e di Costanza di Castiglia; sorellastra di Enrico IV futuro re di Inghilterra, nacque a Hertford il 31 marzo 1373.
Nel 1386 suo padre Giovanni invase la Galizia e si incontrò con il re del Portogallo. Le azioni belliche che seguirono non portarono a risultati importanti e nel luglio 1388 si giunse al trattato di Bayonne che stabiliva tra l'altro il matrimonio tra l'erede al trono di Castiglia Enrico di Trastamara e Caterina di Lancaster. Nelfebbrai0 1393 Caterina sposò Enrico di Trastamara, diventato nel frattempo Enrico III re di Castiglia.
Quando Enrico III morì nel 1406 la corona andò al figlio Giovanni II, ancora bambino, e il regno fu diviso tra due reggenti: Caterina che ebbe le regioni settentrionali e la Castiglia del Nord e Ferdinando (fratello di Enrico III e futuro re d'Aragona) che ebbe la Castiglia del sud e i territori meridionali ad eccezione di quelli in mano ai Mori del regno di Granada. Ferdinando divenne re di Aragona dopo il Compromesso di Caspe del 1412.
Caterina rimase unica reggente ma i figli di Ferdinando (Alfonso, Giovanni e Enrico detti gli Infanti d'Aragona) continuarono a far parte del consiglio reale di Giovanni II.
Caterina non fu reggente molto abile, inoltre il suo operato fu influenzato negativamente dalla consigliera Eleonora Lopez di Cordova che sfruttò le circostanze per arricchire illecitamente il proprio patrimonio, nel 1412 fu smascherata ed allontanata dalla corte.
Caterina morì a Valladolid il 2 giugno 1418.
Da Enrico III aveva avuto tre figli: Maria di Castiglia, Caterina di Castiglia e Giovanni II re di Castiglia e Leon.