Catherine est la fille de Marco Cornaro (1406 - † 1479), patricien vénitien, et de Fiorenza Crispo (1422 † ?). En 1457 son père avait été écarté de toutes les charges du pouvoir pour avoir couvert les malversations de son frère, Andrea Cornaro, accusé d'avoir tenté d'acheter des voix pour une assemblée extraordinaire du Sénat ; il s'était alors réfugié à Chypre, où non seulement il s'était considérablement enrichi, mais encore il avait avancé des sommes importantes aux rois Jean II et Jacques II qui, n'ayant pu les rembourser, étaient devenus ses obligés.
Catherine est élevée dans un pensionnat de Padoue. Sa beauté, reconnue par tous ses contemporains, est un critère particulièrement important dans le choix du roi Jacques II de Chypre ; celui-ci fait alors demander sa main au doge Francesco Foscari, par l’intermédiaire de l’ambassadeur chypriote Philippe Mistachiel.
Le Sénat décida alors que Catherine serait adoptée et intronisée « Fille de la République » et que sa dot serait celle d’une reine (elle fut en effet fixée à
61 000 ducats) ; l’objectif de cette décision était cependant de permettre à la République de Venise, si Catherine décédait sans héritier, de recueillir en héritage la couronne de Chypre.
Le mariage par procuration fut célébré le 30 juillet 1468. Le contrat de mariage stipulait que si Jacques II mourait sans héritier mâle légitime, la couronne de Chypre devait revenir à sa veuve et, à la mort de celle-ci, à la République de Venise.
Quatre années s’écoulèrent entre la cérémonie du mariage par procuration et le départ pour Chypre : si ce peu d’empressement de Jacques II à se manifester engendre un trouble dans la famille Cornaro, Catherine en profite pour apprendre en détail le cérémonial de la cour chypriote.
Catherine arrive à Famagouste en novembre 1472 et, le jour même de son arrivée, elle épouse religieusement et officiellement Jacques II en la cathédrale Saint-Nicolas. La cérémonie est présidée par l’archevêque de Nicosie, le catalan Luis Perez Fabregues. La jeune reine est immédiatement accueillie très chaleureusement par les Chypriotes auprès desquels, durant toute sa vie, elle demeurera très populaire.
Jacques II meurt le 7 juillet 1473, après avoir dicté un testament aux termes duquel il confirme la place de l’enfant de Catherine, alors enceinte, en première place dans l’ordre de succession au trône mais octroie un droit de succession à son propre fils naturel, Eugène de Lusignan .
Dès le décès de Jacques II, le sénat vénitien envoie des mercenaires assurer la protection de la reine.
Catherine met au monde son fils, Jacques III, le 8 août 1473.
Le 10 novembre 1473, une délégation napolitaine et catalane menée par Luis Perez Fabregues se présente à Famagouste et tente un coup d’État afin d’écarter Jacques III et Catherine du trône au profit de sa belle-sœur Charlotte de Chypre. Complice des conjurés, Rizzo di Marino assassine le conseiller Paolo Zappa, dont le cadavre est jeté dans le puits et déclenche un massacre des vénitiens présents à Famagouste, parmi lesquels Gabriele Gentile, médecin de Catherine, Andrea Cornaro et son neveu Marco Bembo (dont les corps sont jetés dans les fossés de la forteresse de Famagouste). Les conjurés pillent ensuite le trésor royal des Lusignan. Un gouvernement est mis en place, écartant Catherine de toutes les responsabilités du pouvoir.
Le 24 novembre 1473, le provéditeur Vettor Sorranzo met le siège devant le port de Famagouste ; il ne parvient cependant à prendre le contrôle du palais royal que le 1er janvier 1474 au petit matin, obligeant les conjurés à se réfugier sur un navire napolitain.
Le 28 mars 1474, le sénat vénitien décida de considérer Chypre comme une possession de la République de Venise et établit une constitution confirmant la Reine dans ses titres mais confiant la réalité du pouvoir politique à des conseillers nommés directement par le Sénat vénitien.
Atteint de paludisme, Jacques III meurt le 26 août 1474. Catherine devient alors reine mais les conseillers vénitiens s’évertuent à l’isoler afin de l’écarter du pouvoir ; en outre, elle doit faire face à de nombreux complots.
Le 10 mai 1476, Catherine est reconnue reine de Chypre par le sultan du Caire, suzerain de l’île, qui écarte ainsi les prétentions au trône de Charlotte de Chypre. Elle tente de s’opposer systématiquement aux intrusions de Venise dans le gouvernement de Chypre.
Le 24 janvier 1489, son frère Giorgio Cornaro arrive à Famagouste puis gagne Nicosie pour lui enjoindre, au nom du sénat vénitien, de renoncer à la couronne ; cédant, Catherine abdique le 26 février 1489 et quitte Chypre pour Venise le 14 mars suivant.
De retour à Venise le 5 juin 1489, Catherine s’installe à Asolo, fief que la République de Venise lui octroie, le 12 octobre suivant. Elle y fera édifier une résidence, le Barco della Regina, aujourd’hui presque totalement disparue.
Durant ses dernières années elle sera l’invitée officielle des cérémonies de Venise, conservant son rang de reine.
Elle meurt à Venise en 1510. Son corps est déposé dans la chapelle Cornaro de l’Église Santi Apostoli, à Venise, avant d’être transféré, en 1570, en l’église San Salvador de Venise. Sa tombe est sous une dalle funéraire devant le monument qui lui est dédié et qui occupe le fond du transept droit.