Efter den portugisiska självständigheten från Spanienen och faderns uppstigande på den portugisiska tron 1 december 1640 trolovades Katarina med Karl II. Paret giftes 3 maj eller 21 maj 1662 i den engelska staden Portsmouth. Till hemgift medförde Katarina staden Tanger och staden Bombay, vilka alltså i och med äktenskapet överfördes i engelsk kontroll. Som katolik var Katarina annars inte ett hos de maktägande grupperna något särskilt populärt val som gemål till den engelske kungen, och Katarinas religion förhindrade en kröning av henne till drottning av England.
Trots Karls rykte som kvinnokarl, och trots en rad graviditeter (den sista 1669), födde Katarina aldrig någon tronarvinge. Då Karl fick en rad barn med sina älskarinnor var det en offentlig hemlighet att det s.a.s. var Katarinas fel att någon arvinge aldrig föddes. Efter makens frånfälle stannade Katarina i England under Jakob I:s regeringstid, men återvände till Portugal när Vilhelm III och Maria II gemensamt uppsteg på tronen.
Katarinas bestående gåva till England var införandet av te som sällskapsdryck. Hon ska ha varit omtyckt i allmogen och vara upphovet till namnet på stadsdelen Queens i New York City.
