Katharina war eine Tochter des Grafen Amadeus V. von Savoyen und seiner zweiten Gemahlin Maria von Brabant. Infolge der Annäherung der Habsburger an die Luxemburger kam es seit 1310 zu Gesprächen bezüglich einer Verheiratung Katharinas mit dem Herzog Leopold I. von Österreich. Am 26. Mai 1315 fand schließlich die Hochzeit des Paares zu Basel statt. Aus der Ehe gingen zwei Töchter hervor, von denen Katharina Gattin von Enguerrand VI. de Coucy und Agnes Gemahlin des Herzogs Bolko II. von Schweidnitz-Jauer wurde. Auch politisch war Katharina aktiv und pflegte öfters Kontakte zum Papst Johannes XXII. 1326 wurde sie Witwe.
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