Da allora dimostrò di aver ricevuto grazie prodigiose dal Cielo a cui corrispose con generosità precoce e con vita penitenziale di rigoroso ascetismo. A sei anni ebbe la sua prima visione: un giorno del 1353, mentre tornava da far visita alla sorella Bonaventura che abitava in Vallepiatta, Caterina vide sospeso in aria sopra il tetto del convento di San Domenico il Signore in abiti pontificali seduto su un bellissimo trono, insieme ai santi Pietro, Paolo e Giovanni. L'anno successivo Caterina fece voto di verginità e tentò di scappare di casa per andare "nel deserto con li anacoreti".

A dodici anni aveva già una bellezza straordinaria: i suoi genitori volevano farla sposare, ma Caterina si tagliò i capelli e oppose vivace resistenza al progetto, coprendosi il capo con un velo e chiudendosi in casa. I genitori, che la consideravano preda di fanatismo giovanile, per piegarla e distoglierla da quelle che consideravano solamente ossessioni puberali, la costrinsero alle più pesanti fatiche domestiche. Invero non si trattò di un bell'esempio di rettitudine familiare, ma bisogna pensare che i genitori erano costantemente impegnati a mandare avanti la loro attività di tintori e probabilmente vedevano la loro figlia Caterina inserita nel proprio lavoro, così come era accaduto con gli altri venti e più figli. Caterina rispose a queste punizioni costruendo nella propria mente una cella dalla quale non poteva uscire (in seguito sarà questo il consiglio che darà ai suoi discepoli per aiutarli a trovare il raccoglimento spirituale).

Un giorno il padre vide una colomba posata sulla sua testa mentre pregava e si convinse che si trattava di vera vocazione. Fu allora che capitolò, permettendo a Caterina di "vivere di suo senno, non chiedendo nulla di veruna spesa che non fosse pane e acqua". Caterina ottenne di nuovo la sua cameretta, che arredò con un cuscino di pietra, che si può ancora vedere nella casa santuario di Vicolo del Tiratoio.

A sedici anni, nel 1363, spinta da una visione di San Domenico, Caterina prese il velo del Terzo Ordine Domenicano delle Mantellate, continuando così a restare nella propria casa. Le Mantellate, così dette dal lungo mantello nero che copriva il loro abito bianco, era un gruppo di laiche, per la maggior parte vedove di una certa età e di buona fama. Non era una cosa normale dare l'abito a giovani fanciulle, anche se nella Regola non c'era niente al riguardo. Si trova anche qualche precedente come nel caso di Nera Tolomei che nel 1250, a venti anni ricevette l'abito. Caterina non fece la scelta di diventare suora, visto che ai suoi tempi la vita della suora significava chiudersi in clausura. Comprese che la sua missione doveva essere nel mondo. Le terziarie Mantellate si dedicavano alle opere di carità e si raccoglievano in preghiera ogni giorno nella Cappella delle Volte, posta all'interno della basilica di San Domenico. All'età di diciannove anni Caterina ricevette dall'Eterno Padre la missione di impegnarsi nel mondo per la pace e la salvezza degli uomini. Da questo momento tutta la sua vita fu dedicata al raggiungimento della pace, alle opere di carità e all'assistenza dei malati e dei bisognosi.

Fu guidata dal domenicano Tommaso della Fonte e si diede a lavorare tenacemente per raggiungere la perfezione spirituale. Insensibile alle iniziali calunnie e maldicenze dei concittadini (che in seguito dovettero ricredersi già quando Caterina era ancora in vita), unì alla sua indole contemplativa un apostolato di opere caritatevoli e assistenziali nell'ospedale di Santa Maria della Scala e nel lebbrosario di San Lazzaro. Un giorno, per punirsi del ribrezzo che le piaghe di un malato le suscitavano, bevve l'acqua che le era servita per lavare la ferita, dichiarando che "non aveva gustato mai cibo o bevanda tanto dolce e squisita". Ciò fatto, la ripugnanza passò.

Ricca di doti eccezionali, non trascurò di intervenire presso le autorità religiose e civili per favorire il trionfo della giustizia, con eloquenza mirabile e soprattutto con espressioni di ardentissima carità. Numerosi prodigi accompagnarono la sua benefica attività fra i poveri, i prigionieri, gli ammalati e coloro che pubblicamente si erano resi colpevoli dinanzi a Dio e agli uomini. Allo stesso tempo non mancavano i risvolti negativi di questa sua vita frenetica votata al bene degli altri. A venti anni Caterina cominciò a rifiutare il cibo e iniziò un percorso che l'avrebbe portata a mangiare solo verdure. Contemporaneamente dormiva non più di due ore per notte.

Caterina si circondò di una "famiglia spirituale" formata da ecclesiastici, letterati, artisti, uomini e donne desiderosi di santificarsi e di fare del bene al prossimo, un gruppo di persone di ogni età e ceto sociale. I suoi discepoli saranno detti in seguito "Caterinati". Riversò su di loro il fuoco delle sue esperienze per esortarli a proseguire nel cammino ascetico intrapreso. Caterina non era acculturata e inizialmente era perfino incapace di scrivere. Quando imparò la scrittura, cominciò a inviare lettere di conforto, di consigli e di esortazioni a quanti da lontano imploravano un suo intervento. Le sue lettere a dotti, a condottieri del tempo, a re e responsabili della vita politica italiana suscitarono immenso interesse e in pochi anni Caterina riuscì ad esercitare un influsso benefico in molte questioni di politica e controversie locali tra i Comuni e i partiti del tempo. Fu intermediaria anche tra il Papato e la città di Firenze, in dissidio per una dazione di grano. Al papa Gregorio XI scrisse: "Otterrete di più col bastone della benignità che colo bastone della guerra".

La sua attività di intermediaria di pace dette occasioni di sospetto agli ecclesiastici del tempo, per cui la giovane senese fu chiamata a Firenze nella Pentecoste del 1374 dinanzi al Capitolo Generale dei Domenicani per subire una sorta di esame di maturità. Il senno di poi ci indica che il superamento di quella prova fu in realtà la vittoria della sua etica. Per difenderla da nuovi attacchi, l'Ordine (che aveva potuto convincersi delle sue doti eccezionali) garantì la sua ortodossia dandole per direttore fra' Raimondo delle Vigne da Capua, più tardi beato.

Papa Gregorio XI affidò a Caterina numerose missioni pacificatrici e l'incarico di propagandare la Crociata che intendeva promuovere (e che non fu mai effettuata, anche a causa della prematura morte del pontefice, avvenuta il 27 marzo 1378). Ambasciatrice di pace da parte di Firenze Caterina si recò nel 1376 ad Avignone dove riuscì a convincere il pontefice a ritornare a Roma (ricordandogli il voto segreto che egli stesso aveva fatto il giorno della sua elezione, quello cioè di riportare la sede papale nella Città Eterna). Il 13 settembre 1376 Gregorio XI lasciò Avignone per riprendere il 17 gennaio 1377 il possesso della sua carica di papa di Santa Romana Chiesa e di vescovo di Roma. In rapporto con grandi famiglie e con numerosi ecclesiastici, Caterina si dette da fare per sanare lo Scisma d'Occidente che era scoppiato il 20 settembre del 1378, all'elezione di Clemente VII da parte di cardinali contrari al vero pontefice Urbano VI. Caterina si adoperò in ogni modo per riportare la Chiesa all'unità. Buona parte delle 381 lettere del suo epistolario danno testimonianza proprio di questo aspetto della sua grande opera.

Per rendere più incisiva la sua opera a favore della Chiesa, il successore di Gregorio XI, Urbano VI (Bartolomeo Prignano, arcivescovo di Bari, già apparso in sogno alla santa), la chiamò a Roma, dove Caterina trascorse gli ultimi due anni della sua vita. Sempre per invito del pontefice parlò in Concistoro ai nuovi cardinali, per esortarli alla fedeltà al vero papa. Alla sua intercessione viene attribuita la vittoria di Marino da parte delle truppe pontificie contro quelle dell'antipapa, un anno esatto prima della morte di lei.