A méregkeverőnek tartott Medici Katalin a művészetek bőkezű mecénása volt, szépíttette többek között a chenonceau-i kastélyt, kibővíttette a Louvre-t, és ő kezdte el építtetni a Tuileriák palotáját. Befolyásolta a divatot, sőt több reformot is bevezetett az öltözködés terén.
Egyesek szerint kegyetlen királynő volt, aki a méregtől a gyilkosságig minden eszközt bevetett, hogy megőrizze a hatalmát, míg mások a monarchia szenvedélyes megmentőjeként tartják számon, aki eltökélte, hogy megvédi a családi trónt. Ahogy Francis Wattson írta: „Nevetséges volna erkölcsi ítéletet mondani valaki fölött, akinek nem voltak erkölcsi elvei. Katalin nem volt jó, vagy rossz, hanem vagy boldogult, vagy nem boldogult.”
A híres firenzei Medici család sarja egy hónappal születése után jutott árvaságra. A kiváló neveltetésben részesült, tekintélyes vagyonnal rendelkező, de nem túlságosan előnyös külsejű lányt nagybátyja, VII. Kelemen pápa (Giulio Medici) használta fel politikai játszmáiban. Ő rendezte el, hogy a tizennégy éves lány 1533-ban a nála csak egy hónappal idősebb Henrik orléans-i herceghez, I. Ferenc francia király második fiához menjen feleségül. Férje három évvel később bátyja, a dauphin halála után trónörökössé lépett elő, és apja halála után, 1547-ben II. Henrik néven királlyá koronázták.
„Szép, de túl nagy a szája, és a szemei túlságosan kiemelkedőek és színtelenek” – írta egy velencei követ, miután Medici Katalin királynéval találkozott, és így folytatta: „azonban nagyon jó kinézetű nő, formás alakjával, gyönyörű bőével és gyönyörűen formázott kezeivel”.
A fiatal Katalin boldogtalan házasságban élt. Férje tisztelettel, de hidegen bánt vele, szeretőket tartott, akik közül a leghíresebb az ünnepelt szépség, Diane de Poitiers volt. Hosszú ideig nem sikerült teherbe esnie, hiába próbálta ki a korban szokásos praktikákat, emiatt II. Henrik már a válást fontolgatta. Végül 1544-ben sikerült fiút (a későbbi II. Ferencet) a világra hoznia, és a következő tizenkét évben még kilenc gyermeket szült. Kapcsolata férjével ennek ellenére távolságtartó maradt, a politikához sem engedték közel, ez Diane de Poitiers kiváltsága maradt. „Henrik nagyon keveset jelentett a számára. Törvényes férje volt, mindig előzékeny és figyelmes; a király nem tűrte volna, hogy udvarában, ahol erkölcsök tekintetében ugyan szabadon folyt a játék, bárki is vétsen az illem és udvariasság szabályai ellen.”
Katalin a megaláztatásoktól megkeseredett, de a bosszúvágy, a politikai intrikákban mutatott tehetsége és olthatatlan hatalomvágya képessé tette a túlélésre. Az okkult tudományokba menekült, varázslókkal, csillagjósokkal (köztük volt Nostradamus is) vette magát körül, és állítólag kitanulta a méregkeverést is.
II. Henrik 1559-ben egy lovagi tornán szenvedett balesetben életét vesztette, halálát évtizedekig tartó politikai bizonytalanság, vallási köntösbe bújtatott véres politikai és hatalmi összecsapások sora követte. A Guise hercegek vezette katolikus, illetve a Louis de Condé herceg és Gaspard de Coligny marsall vezette protestáns (hugenotta) tábor szembenállása egyre jobban kiéleződött, és 1562-ben polgárháborúhoz, vallásháborúk sorához vezetett.
Az immár anyakirályné Katalin férje halála után feketével vonatta be szobájának falát, és ő maga haláláig gyászruhát viselt. A hőn áhított hatalomból kezdetben kiszorulni látszott, mert II. Ferenc néven királlyá koronázott tizenöt éves fia a Guise-ek befolyása alatt állt, de azt sikerült elérnie, hogy férje korábbi szeretőjét, Diane de Poitiers-t száműzzék az udvarból. Ferenc egy évvel később, 1560-ban bekövetkezett halála után a kilencéves, beteges IX. Károly került a trónra, aki helyett anyja uralkodott régensként. Katalin igyekezett mérsékelt politikát folytatni, de az intrikáktól és a cselszövéstől sem visszariadva a Guise-ek hatalmának megtörésére törekedett. A katolikusok és hugenották ellentétein nem tudott úrrá lenni, és miután 1562-ben kitört a három évtizeden át tartó vallásháború, a hatalom megtartása érdekében a szemben álló feleket játszotta ki egymás ellen.
Az 1570-es saint-germaini békeszerződés aláírása után úgy látszott, hogy véget ér a zűrzavar, a megbékélést a hugenotta Navarrai (Bourbon) Henrik herceg (a későbbi IV. Henrik) és Katalin lánya, a katolikus Valois Margit házasságának kellett volna megpecsételnie. Az esküvőre 1572. augusztus 18-án Párizsban került sor, de néhány nappal később, a nászünnepségek alatt egy katolikus nemes merényletet kísérelt meg a hugenotta párt vezetője, Coligny marsall ellen. A felháborodott hugenották igazságtételt követeltek, mire a hatalmát féltő, újabb lázadástól tartó királyi udvarban a hugenották vezetőinek meggyilkolásáról döntöttek. Az augusztus 24-re, Szent Bertalan napjára virradó éjszaka Párizsban véres leszámolás vette kezdetét, a város kapuit bezárták, és a bent rekedt protestánsokat – élükön a sebesült Coligny marsallal – lemészárolták, a gyilkosságokban a felbőszített párizsi lakosok is részt vettek. (Navarrai Henriket megkímélték, mert ígéretet tett, hogy áttér a katolikus hitre, amit szabadulása után azonnal megtagadott.) A vidékre is átterjedt, összességében több ezer ember életét követelő öldöklés újabb vallásháborút indított el. Máig nem tisztázott, hogy Katalinnak milyen szerepe volt az eseményekben, de a köztudatban hozzá kapcsolták a Szent Bertalan-éji mészárlást, és haláláig rettegett a hugenották bosszújától.
IX. Károly 1574-ben meghalt, a trónt öccse, Katalin kedvenc fia, III. Henrik foglalta el, akit a királyné egyre kevésbé tudott befolyásolni. A hatalomból kiszorult Katalin hosszú betegeskedés után, 1589. január 5-én halt meg szeretett kastélyában, a Loire menti Blois-ban. Akkor már csak két gyermeke élt, III. Henriket pedig még abban az évben meggyilkolták, és ezzel a Valois-dinasztia férfiágon kihalt. A trónt Navarrai Henrik, Franciaország első Bourbon uralkodója foglalta el, aki koronázása előtt „Párizs megér egy misét!” felkiáltással áttért a katolikus vallásra. Mivel Katalin halálakor Párizs a király ellenségeinek kezén volt, hamvait Blois-ban temették el, és csak később helyezték férje mellé, a St. Denis-székesegyházba.
„Minden társadalomban vannak szükséges, de hitvány és fertelmes hivatások: ezeket bűnök ötvözik, de oly szükségesek, mint bizonyos mérgek az emberi szervezet karbantartásához de bízzuk csak gyakorlásukat erősebb idegzetű és kevéssé válogatós polgártársainkra, akik becsületüket és lelkiismeretüket szívesen feláldozzák, mint ama régiek, akik vérüket áldozták a haza üdvéért…” (Montaigne)
Medici Katalin a művészetek bőkezű mecénása volt, szépíttette többek között a chenonceau-i kastélyt, kibővíttette a Louvre-t, és ő kezdte el építtetni a Tuileriák palotáját. A legenda szerint ő honosította meg a villát és az articsókát Franciaországban, ő tette népszerűvé az udvarban a parfüm használatát. Katalin nemcsak a művészetek iránt érdeklődött, hanem az okkult tudományok iránt is, és számos varázslóval, jóssal, csillagásszal vette körül magát, mivel megerősítették az önmagába, jellemébe és ravaszságába való hitét, amelytől egész élete függött. Elfogadta Nostradamus szolgálatait, akinek jóslatait igyekezett férje, majd gyermekei szolgálatában állítani.
Életéről több könyv és film készült, 2011-ben jelent meg a Medici Katalin vallomásai című naplószerű regény C. W. Gortner amerikai író tollából. Alakja Az uralkodónő című nagy sikerű tévésorozatban is feltűnik.
