Catarina nasceu na cidade egípcia Alexandria e cresceu como uma pagã, mas em sua adolescência converteu-se ao cristianismo. Diz-se que ela visitou seu contemporâneo, o imperador romano Maximiano, e tentou convencê-lo do erro moral na perseguição aos cristãos. Ela conseguiu converter a sua esposa, a Imperatriz, e muitos pagãos que o Imperador enviou para disputar com ela.
Alguns textos escritos entre os séculos VI e X , que se reportam aos acontecimentos do ano 305, tornaram pública a empolgante figura feminina de Catarina. Descrita como uma jovem de dezoito anos, cristã, de rara beleza, era filha do rei Costus, de Alexandria, onde vivia no Egito. Muito culta, dispunha de vastos conhecimentos teológicos e humanísticos. Com desenvoltura, modéstia e didática, discutia filosofia, política e religião com os grandes mestres, o que não era nada comum a uma mulher e jovem naquela época. E fazia isso em público, por isso era respeitada pelos súditos da Corte que seria sua por direito.
Entretanto, esses eram tempos duros do imperador romano Maximino, terrível perseguidor e exterminador de cristãos. Segundo os relatos, a história do martírio da bela cristã teve início com a sua recusa ao trono de imperatriz. Maximino apaixonou-se por ela, e precisava tirá-la da liderança que exercia na expansão do cristianismo. Tentou, oferecendo-lhe poder e riqueza materiais. Estava disposto a divorciar-se para casar-se com ela, contanto que passasse a adorar os deuses egípcios.
Catarina recusou enfaticamente, ao mesmo tempo que tentou convertê-lo, desmistificando os deuses pagãos. Sem conseguir discutir com a moça, o imperador chamou os sábios do reino para auxiliá-lo. Eles tentaram defender suas seitas com saídas teóricas e filosóficas, mas acabaram convertidos por Catarina. Irado, Maximino condenou todos ao suplício e à morte. Exceto ela, para quem tinha preparado algo especial.
Mandou torturá-la com rodas equipadas com lâminas cortantes e ferros pontiagudos. Com os olhos elevados ao Senhor, rezou e fez o sinal da cruz. Então, ocorreu o prodígio: o aparelho desmontou. O imperador, transtornado, levou-a para fora da cidade e comandou pessoalmente a sua tortura, depois mandou decapitá-la. Ela morreu, mas outro milagre aconteceu. O corpo da mártir foi levado por anjos para o alto do monte Sinai. Isso aconteceu em 25 de novembro de 305.
Contam-se aos milhares as graças e os milagres acontecidos naquele local por intercessão de santa Catarina de Alexandria. Passados três séculos, Justiniano, imperador de Bizâncio, mandou construir o Mosteiro de Santa Catarina e a igreja onde estaria sua sepultura no monte Sinai. Mas somente no século VIII conseguiram localizar o seu túmulo, difundindo ainda mais o culto entre os fiéis do Oriente e do Ocidente, que a celebram no dia de sua morte.
Ela é padroeira da Congregação das Irmãs de Santa Catarina, dos estudantes, dos filósofos e dos moleiros – donos e trabalhadores de moinho. Santa Catarina de Alexandria integra a relação dos quatorze santos auxiliares da cristandade.
A Igreja também celebra hoje a memória dos santos:  Jocunda e Mercúrio.