Родителями леди Катерины были Генри Грей, 3-й маркиз Дорсет, и леди Фрэнсис Брэндон, дочь Чарльза Брэндона, 1-го герцога Саффолка, и Марии Тюдор.
Мария Тюдор была дочерью короля Генриха VII и Елизаветы Йоркской и приходилась младшей сестрой королю Генриху VIII. Сёстры Грей — Джейн, Катерина и Мария, согласно Акту о престолонаследии от 1543 года, были включены в число наследников трона Англии и занимали в ней соответственно 5-е, 6-е и 7-е места после детей Генриха — Эдуарда, Марии, Елизаветы и своей матери, леди Фрэнсис Брэндон.
Первое замужество
В то время как Джейн Грей снискала славу одной из самых блестяще образованных женщин своего времени, её сестра Катерина, не столь одарённая, считалась тем не менее самой красивой из сестёр Грей, что предполагало выгодное замужество. Её первым мужем стал Генри Герберт, сын Уильяма Герберта, 1-го графа Пембрука. Их свадьба состоялась в тот же день, что и свадьба её старшей сестры Джейн с Гилфордом Дадли — 21 мая 1553 года.
Король Эдуард VI скончался 6 июля 1553 года, а уже 10 июля Джейн Грей была провозглашена королевой, согласно новому Акту о престолонаследии, исключавшему из круга претендентов принцессу Марию, её сводную сестру принцессу Елизавету и леди Фрэнсис Брэндон. Джейн была низложена спустя несколько дней, 19 июля 1553 года, и законной королевой была объявлена Мария. Семья Грей впала в немилость, и граф Пембрук, свёкор Катерины, пытаясь всячески дистанцироваться от новых родственников, выгнал её из дома. Брак Генри Герберта и леди Катерины Грей был аннулирован около 1555 года.
Поскольку леди Фрэнсис Брэндон, как и её мать Мария Тюдор, в своё время оказывали поддержку и сочувствие первой жене Генриха VIII Екатерине Арагонской и самой Марии, то вскоре после вступления на трон новая королева разрешила ей и её дочерям — Катерине и Марии — возвратиться ко двору.
Притязания на английский престол
Уже в начале правления Елизаветы I был поднят вопрос о преемнике, поскольку королева до сих пор оставалась незамужней и бездетной. Из всей череды наследников, упоминавшихся в завещании Генриха VIII, к началу 1560-х годов, в живых оставались четверо: сама Елизавета, Катерина Грей, Мария Грей и Маргарет Клиффорд. Шансы Катерины занять трон считались наиболее предпочтительными, тем более, что потомки старшей сестры Генриха, Маргарет Тюдор, вовсе были исключены из линии наследования. Невольно она стала для Елизаветы такой же угрозой, какой в своё время была леди Джейн для королевы Марии — основной претенденткой на корону Англии при бездетной королеве. Такая ситуация вызывала напряженность в их отношениях ещё и по той причине, что Елизавета не испытывала тёплых чувств ни к Катерине, ни к Марии. Это объяснялось тем, что семейство Грей не признавало второй брак короля Генриха VIII с Анной Болейн, матерью Елизаветы и, более того, открыто выражало своё презрение королеве Анне. Воцарившись на троне Англии, Елизавета позволила сёстрам Грей остаться при дворе в качестве фрейлин, хотя и не включила их в число особо приближённых.
Тем не менее, монархи других европейских государств воспринимали Катерину Грей как полноправную наследницу Елизаветы и поддерживали с ней связь через своих посланников. В частности, особое расположение Катерины снискал испанский посланник граф Фериа, которому она жаловалась на угнетения и оскорбления со стороны Елизаветы. В середине 1559 года распространились слухи о подготовке к похищению Катерины и её последующего брака с доном Карлосом или с кем-либо ещё из Габсбургов.
