Кэтрин была единственной дочерью Уильяма Уиллоуби, 11-го барона Уиллоуби де Эрзби, и его второй жены Марии де Салинас. Её отец был придворным короля Англии Генриха VIII, а также одним из участников военной кампании 1513 года во Франции, а мать была фрейлиной и лучшей подругой королевы Екатерины Арагонской. Король проявлял благосклонность к семейству Уиллоуби и даже назвал один из своих военных кораблей «Мария Уиллоуби» в честь фрейлины жены. Кэтрин же, соответственно, получила своё имя в честь королевы.
Кэтрин родилась 22 марта 1519 года (или 1520), была крещена 26 марта. Большую часть детства Кэтрин провела в Фрамлингэме. После смерти отца в октябре 1526 года она унаследовала не только титул баронессы Уиллоуби де Эрзби, который мог передаваться по женской линии, но и ежегодный доход в размере 15 тыс. дукатов. Хотя её мать в то время здравствовала, по традиции права опекунства и контроль над состоянием перешли к королю, а тот продал их в марте 1529 года Чарльзу Брэндону, 1-му герцогу Саффолку за сумму в 2,666 фунтов, 13 шиллингов и 4 денье. Сделка состоялась, вероятно, с согласия Марии де Салинас, на тот момент затеявшей тяжбу с младшим братом покойного мужа, сэром Кристофером Уиллоуби, заявившим о своих наследственных правах. Его претензии были отклонены.
Вскоре состоялась помолвка Кэтрин и Генри Брэндона, 1-го графа Линкольна, сына Чарльза и Марии Тюдор. Согласно обычаям того времени Кэтрин переехала в дом Саффолка и «французской королевы», как называли Марию Тюдор, и воспитывалась там вместе с сёстрами своего жениха — Фрэнсис и Элеонорой.
25 июня 1533 года Мария Тюдор умерла, и в сентябре того же года Саффолк женился на наречённой своего сына, что многими было расценено неоднозначно не только из-за большой разницы в возрасте (более тридцати лет), но и потому, что девочка была ранее помолвлена с десятилетним сыном герцога. Эсташ Шапюи сообщал об этом событии в письме к императору Карлу V: «В следующее воскресенье герцог Саффолк женится на дочери леди Уиллоуби. Она была обручена с его сыном, но тому всего лишь десять лет». Не последнюю роль в решении Саффолка сыграло богатое наследство Кэтрин, так как он отчаянно нуждался в деньгах. Для сына он всегда мог найти другую невесту, но вскоре необходимость в этом исчезла, так как 1 марта 1534 года Генри Брэндон скончался от туберкулёза.
По свидетельствам современников четвёртый брак герцога был счастливым и крепким. Через два года после свадьбы Кэтрин родила своего первенца, Генри, а в 1537 году — второго сына, Чарльза. Супруги Брэндон пользовались особым расположением короля (Чарльз Брэндон был его лучшим другом) и вели активную светскую жизнь. Первое появление Кэтрин при дворе состоялось, вероятно, в день крещения принцессы Елизаветы. Герцог и герцогиня Саффолк официально приветствовали Анну Клевскую, когда в 1539 году она прибыла в Англию, чтобы выйти замуж за Генриха VIII, а летом 1541 года принимали короля и его следующую жену Кэтрин Говард в замке Гримсторп, который был пожалован семье Уиллоуби в 1516 году. В 1543 году после женитьбы Генриха на Катарине Парр, молодая герцогиня Саффолк стала одной из самых влиятельных фрейлин при дворе и близкой подругой новой королевы.
Несмотря на свою молодость — ей в то время было чуть больше двадцати — Кэтрин снискала славу одной из самых остроумных и образованных женщин при дворе, а кроме того, отличалась крайне радикальными протестантскими взглядами, постепенно сформировавшимися у неё в период религиозных перемен в Англии. В конце 1530-х годов личным капелланом Саффолков был назначен Александр Сетон, изгнанный из Шотландии за критику в адрес папства. Он оставался в своей должности до самой смерти в 1542 году. Его преемником стал Джон Паркхёрст, также последователь протестантизма, в 1543 году перешедший на службу к королеве Катарине Парр. Оба священника оказали ощутимое влияние на религиозное мировоззрение герцогини Саффолк.
Известно, что ещё в бытность Анны Болейн королевой, Кэтрин, часто бывая при дворе, слушала пылкие выступления ярого протестанта Хью Латимера, епископа Вустерского, и они произвели на неё неизгладимое впечатление. Впоследствии епископ стал её другом и наставником, она называла его своим «отцом Латимером». Столь крепкая дружба со священником-протестантом вызывала негодование Стивена Гардинера, епископа Винчестерского. Хотя Кэтрин была его крестницей, они презирали друг друга. Во многом их антипатия опиралась на религиозные расхождения, так как Гардинер оставался консерватором, но кроме того, епископа немало возмущали насмешливый и своевольный характер герцогини и её обидные выходки. Так, однажды во время званого обеда у Саффолков, Чарльз Брэндон в шутку предложил каждой даме избрать себе в спутники того, кто ей более всех по нраву, исключив себя из числа участников. Кэтрин, взяв Гардинера под руку, во всеуслышание заявила, что если уж она не может выбрать того, кого любит больше всех, она выбирает того, кого любит меньше всех. В другой раз она взяла на прогулку щенка-спаниеля по кличке Гардинер, наряженного в епископские одежды.
Катарина Парр также была сторонницей новой религии и питала надежды на её укрепление. Она и её фрейлины, в число которых, помимо Кэтрин, входили леди Анна Стэнхоуп, леди Джоан Денни, леди Анна Герберт и леди Джейн Дадли, часто собирались вместе для изучения и обсуждения Евангелия и проповедей священников-реформистов. Между тем, религиозная позиция короля не поддавалась чёткому определению: он отступился от Римской церкви, но никогда не признавал себя сторонником протестантизма и относился к новой вере весьма неприязненно. Его советники, Стивен Гардинер и Томас Рисли, настороженно следившие за Катариной, воспользовались антипатией Генриха к протестантизму, дабы организовать заговор против королевы и её окружения.
В феврале 1546 года положение Катарины Парр серьёзно пошатнулось. Генриху доложили, что некая Анна Эскью, проповедница, будто бы публично заявила, что королева и некоторые из её фрейлин, среди них и Кэтрин, приняли лютеранскую веру. Поговаривали, что Анна была знакома с королевой и её окружением и даже передавала им запрещённую религиозную литературу. Тем не менее, не сохранилось никаких свидетельств того, что Анна встречалась лично с Катариной Парр или герцогиней Саффолк, она не призналась в этом даже под пыткой в Тауэре, куда её заключили по обвинению в ереси. Анну Эскью и нескольких её соратников сожгли на костре 16 июля 1546 года, но несмотря на то, что причастность Катарины не была доказана, это дело, а также привычка рассуждать на богословские темы и спорить с королём о вопросах религии, вызвали у Генриха сильное недовольство.
Чарльз Брэндон, герцог Саффолк, умер 22 августа 1545 года. Кэтрин была упомянута в числе душеприказчиков, наряду с лордом-канцлером Томасом Рисли, лордом Сент-Джоном и сэром Энтони Брауном. Помимо завещанного имущества, герцогиня получила в придачу массу неоплаченных долгов. Несмотря на траур, молодая вдова довольно часто бывала при дворе, навещая королеву Катарину и играя в карты с леди Марией.
С 1546 года всё чаще появлялись слухи о том, что Генриху наскучила его шестая жена, и он не прочь развестись с ней. В качестве седьмой жены наиболее вероятной кандидаткой считали Кэтрин Уиллоуби. Об этих домыслах упоминал в своих донесениях посол императора Карла V, Франсис ван дер Делфт: «Поговаривают о новой королеве. Король весьма расположен к мадам Саффолк». Но здоровье Генриха VIII неумолимо ухудшалось, и он умер в начале 1547 года. После его смерти Катарина Парр покинула двор.
Кэтрин, по окончании торжественной церемонии коронации юного короля Эдуарда VI, вместе с младшим сыном Чарльзом вернулась в Линкольншир, где занималась делами поместья Гримсторп и активно способствовала распространению протестантских доктрин среди населения графства. Кроме того, она помогала вдовствующей королеве с публикацией её книги «Сетования грешницы» (англ. Lamentacions of a synner), которая вышла в свет в ноябре 1547 года, а также покровительствовала Джону Дэю, знаменитому печатнику-протестанту. С 1548 года Дэй издавал книги под эгидой герцогини Саффолк.
Катарина Парр ненадолго пережила короля. Она умерла 5 сентября 1548 года от родильной горячки. Её последний муж, Томас Сеймур, вскоре был арестован по обвинению в государственной измене и в марте 1549 года обезглавлен. По его просьбе их с Катариной маленькая дочь, леди Мэри Сеймур, была отдана на воспитание Кэтрин Уиллоуби. Молодая герцогиня с явной неохотой приняла на себя обязанности опекуна и часто жаловалась в письмах к лорду-протектору Эдуарду Сеймуру и Уильяму Сесилу, своему давнему другу, о высоких расходах на содержание девочки.
С 1549 года, когда сыновья Кэтрин, Генри и Чарльз, стали студентами Кембриджского университета, она переселилась в Кингстон, неподалёку от Кембриджа, чтобы быть поближе к детям. Радостным событием для неё стала встреча и последующие беседы на религиозные темы с германским теологом-протестантом Мартином Буцером, прибывшим в Англию по приглашению архиепископа Кентерберийского Томаса Кранмера. Герцогиня поддерживала дружеские отношения с Буцером, а также помогала его семье после смерти последнего в феврале 1551 года.
В начале лета 1551 года в Англии началась очередная эпидемия потницы, в июле добравшаяся и до Кембриджа. Узнав о том, что её сыновья во избежание заражения переехали в Бакден, Кэтрин поспешила к ним, но к моменту её приезда Генри был уже мёртв, а вскоре скончался и Чарльз. Похоронив сыновей в Бакдене, герцогиня вернулась в Гримсторп. Она восприняла это горестное событие как испытание, ниспосланное Богом, и искала утешение в религии. Поддержку ей оказывал Хью Латимер, ставший на тот момент её личным капелланом.
В связи со смертью последних носителей титула герцога Саффолка, земли, пожалованные Чарльзу Брэндону и его наследникам мужского пола королём Генрихом VIII, были возвращены в собственность короны. У Кэтрин Уиллоуби остались владения в Линкольншире, унаследованные ею от отца, а также несколько монастырей и аббатств, подаренных чете Саффолк Генрихом VIII после конфискации церковного имущества. Герцогский титул был присвоен супругу старшей дочери Чарльза Брэндона, Генри Грею, маркизу Дорсету, а Кэтрин сохранила за собой право именоваться как вдовствующая герцогиня Саффолк.
В начале 1553 года она вышла замуж за Ричарда Берти, с некоторых пор состоявшего у неё на службе и разделявшего её религиозные воззрения. Хью Латимер одобрил этот союз и провёл церемонию бракосочетания. Впоследствии у супругов Берти родились двое детей: дочь Сьюзан и сын Перегрин.
Летом 1553 года королевой была провозглашена Мария I Тюдор, заветной мечтой которой было восстановление католицизма в Англии. Один из её первых указов касался искоренения ереси, как теперь называли протестантизм. Многих друзей и единомышленников Кэтрин, среди которых были Латимер, Николас Ридли, архиепископ Томас Кранмер, арестовали и отправили в Тауэр. Начались массовые гонения на протестантов.
Стивен Гардинер, давний враг Кэтрин, ставший при Марии лордом-канцлером, не преминул воспользоваться возможностью отомстить ей. Поводом для этого стало взыскание по старому долгу, который не был выплачен Генриху VIII первым мужем Кэтрин, покойным Чарльзом Брэндоном. Вызвав для дачи показаний Ричарда Берти, Гардинер, помимо выяснений по долговому обязательству, начал задавать провокационные вопросы относительно религиозных взглядов его супруги, призывая того заставить её раскаяться в своих заблуждениях и обратиться к истинной вере.
Осознавая, что Гардинер вряд ли оставит их в покое, семейство Берти (к тому времени у них уже была дочь Сьюзан) и их несколько слуг в начале 1555 года бежали в германский город Везель, находившийся под властью герцога Клевского. Там, 12 октября 1555 года, Кэтрин родила сына, Перегрина Берти. Не чувствуя себя в безопасности, семья Берти часто меняла место жительства, пока, наконец, весной 1557 года не переехала в Великое княжество Литовское по личному приглашению короля Сигизмунда II Августа, довольно лояльно относившегося к протестантам. Король принял их как почётных гостей и дозволил поселиться в Жемайтии в местечке Кроже, где Кэтрин с мужем и детьми оставались до 1559 года.
В ноябре 1558 года в Англии закончилась эра правления королевы-католички, весть о смерти которой достигла супругов Берти ещё до конца года. На престол взошла Елизавета I. К новогодним праздникам Кэтрин отправила молодой королеве подарок — подушку, расшитую жемчугом, и экземпляр книги Екклесиаста в бархатном переплёте с серебряными застёжками, а в письме от 28 января 1559 года, поздравив Елизавету с вступлением на трон, выразила надежду на то, что та будет благосклонна к возвращению семейства Берти на родину. Терпимость королевы в отношении протестантов позволила Кэтрин Уиллоуби и её семье возвратиться в Англию к лету 1559 года.
Вернувшись из изгнания, семья герцогини поселилась в Линкольншире. По указу Елизаветы супруги Берти были освобождены от уплаты штрафов, наложенных на их имущество в период царствования королевы Марии. Большую часть времени Кэтрин и Ричард Берти проводили либо в Гримсторпе — обычно с весны до осени, либо в Лондоне — как правило, зимой. Кэтрин вела хозяйство, занималась воспитанием детей (помимо её собственных сына и дочери в доме проживали отпрыски из других знатных семей), Берти с помощью Уильяма Сесила делал карьеру в политике. Супруги Берти были приняты при дворе, но не снискали симпатии королевы. Причиной этому послужили разногласия во мнениях относительно религии. Такую ревностную протестантку как Кэтрин раздражали медлительность и осторожность, с которой Елизавета проводила церковные реформы, королеве же претил подобный фанатизм в вопросах веры. Как следствие, между герцогиней и королевой возникла взаимная неприязнь.
В 1564 году возобновилась прежняя тяжба с сэром Кристофером Уиллоуби. На сей раз был поднят вопрос о правах на недвижимость, остававшийся нерешённым уже в течение тридцати семи лет после смерти отца Кэтрин. В конечном итоге стороны урегулировали ситуацию полюбовно: сэр Кристофер отказался от претензий на большую часть наследства барона Уиллоуби, получив взамен владения в Парэме, Орфорде и Хогсторпе.
В августе 1567 года Кэтрин Уиллоуби ненадолго пришлось взять на себя заботу о леди Марии Грей, одной из внучек её покойного мужа, Чарльза Брэндона, приговорённой к домашнему аресту в связи с тайным браком с привратником Томасом Кейесом, свершившимся без королевского дозволения. Обеспечение Марии всем необходимым целиком входило в обязанности Кэтрин, и, как в случае с Мэри Сеймур, она беспрерывно сетовала в письмах к Уильяму Сесилу на то, как тяжело ей принять на себя подобную обузу. Леди Мария оставалась под опекой герцогини в течение последующих двух лет.
Много времени Кэтрин посвящала бесконечному написанию прошений к королеве, добиваясь выгодных назначений для своих детей и их супругов. Так, в 1570 году, при посредничестве Сесила она ходатайствовала о восстановлении Реджиналда Грея, мужа её дочери Сьюзан, в правах на земли и титул графа Кента. Параллельно, она отправила запрос на присвоение её мужу титула лорда Уиллоуби. В первом случае её просьба была удовлетворена, во втором же ей было отказано.
Кэтрин Уиллоуби, леди Берти, скончалась 19 сентября 1580 года в возрасте около 61 года. Она была похоронена в Спилсби, графство Линкольншир. Её супруг, Ричард Берти, умер в 1582 году и был погребён рядом с ней.
От брака с Чарльзом Брэндоном, 1-м герцогом Саффолком:
От брака с Ричардом Берти:
В драматическом телесериале «Тюдоры» роль Кэтрин Уиллоуби исполнила актриса Ребека Уэйнрайт (англ. Rebekah Wainwright). Согласно сюжету, Кэтрин, герцогиня Саффолк (девичья фамилия Брук), является католичкой, а также ярой противницей возвышения Анны Болейн и её родственников. В телесериале не упоминается о её дружбе с Катариной Парр. Семейная жизнь с Чарльзом Брэндоном поначалу складывается очень счастливо, но постепенно супруги отдаляются друг от друга, что приводит к полному разрыву их отношений.