Gustav var tidigare gift med Catharina av Sachsen-Lauenburg (drottning 1531-1535), därefter med Margareta Eriksdotter (Leijonhuvud) (drottning 1536-1551), och slutligen med Catharina här.

Catharinas mor Brita var syster till hans föregående drottning Margareta, och Gustavs äktenskapsplaner gentemot henne mötte därför motstånd från prästerskapet på grund av släktskapet.
Gustav var nästan 40 år äldre än henne, och det berättas att Catharina själv inte var så intresserad utan sprang och gömde sig bakom en buske i trädgården när Gustav kom till Torpa 1551 för att fria.

Catharinas släkt var dock förtjusta, och genom att kohandla lite med prästerskapet fick Gustav sin vilja igenom, och Catharina och Gustaf gifte sig 1552-08-22.

De fick aldrig några gemensamma barn, även om det finns uppgifter om att hon skulle ha varit gravid en eller ett par gånger i mitten av 1550-talet.