Получил домашнее образование. С 1806 числился на службе в Министерстве народного просвещения. В 1808—1809 посещал салон А. Н. Оленина; познакомился с К. Н. Батюшковым, Н. И. Гнедичем, А. А. Шаховским. Участвовал в любительских спектаклях.
С 1810 на военной службе. Участник Отечественной войны 1812 и заграничных походов.
С конца 1816 член декабристского Союза спасения; один из руководителей тайной декабристской организации Военное общество. В 1820 по политическим мотивам отстранён от службы, уволен в отставку. В 1822 за публичный скандал во время театрального спектакля по распоряжению императора был выслан из Санкт-Петербурга. Долгие годы провёл в деревне.
Похоронен в селе Бореево Чухломского уезда Костромской губернии. В 1955 прах перенесён в Чухлому.
Печататься начал перед Отечественной войной 1812 («Цветник», 1810). Переводил стихотворные произведения Биона, Гесснера, Вергилия, Гёте, Ф. Шиллера, Ариосто, «Романсы о Сиде» Гердера, отдельные песни из «Ада» Данте и Оссиана. В переработке Катенина ставилась трагедия Тома Корнеля «Ариана» (1811). Возглавил одно из течений декабристского романтизма. В 1815 опубликовал баллады «Наташа», «Убийца», «Леший», в 1816 — «Ольга» (вольный перевод баллады Г. А. Бюргера «Ленора»), резко отличающейся по своим художественным принципам от поэзии карамзинистов и В. А. Жуковского и вызвавшие полемику. Ориентация на изображение русского быта, на широкое использование просторечных форм языка сближала Катенина с А. С. Шишковым, но вместе с тем была связана с декабристской идеей борьбы за народность литературы.
В 1810—1820-е годы много писал для театра, в частности переработки Ж. Расина, П. Корнеля, других французских драматургов. Единственная оригинальная трагедия Катенина «Андромаха» была поставлена в 1827. Выступал также как театральный педагог (среди его учеников — В. А. Каратыгин).