Catarina Micaela era filha de Filipe II, governante do vasto Império Espanhol, e sua terceira esposa, a princesa francesa Isabel de Valois.[1] Ela foi descrita como bonita, inteligente, arrogante e bem consciente de seu alto status social. Embora o pai não tenha comparecido ao batizado e não tenha ficado tão feliz com o nascimento de uma filha como ele estivera com sua irmã mais velha, Isabel Clara Eugênia, ela teve um bom relacionamento com ele. Filipe e Catarina Micaela trocaram cartas ao longo de sua vida. Ela teve um relacionamento próximo com a irmã. Eles foram criados sob os cuidados de Margarita de Cardona, a dama de companhia de sua madrasta, Ana da Áustria, e algumas das damas da mãe, como Claude de Vineulx.
Catarina Micaela era inicialmente impopular por causa de sua arrogância e tentativas de apresentar pompa espanhola, cerimônia e maneira de se vestir à corte em Turim. No entanto, ela logo ganhou respeito por causa de sua habilidade política e diplomática, usada para defender a autonomia de Saboia contra a Espanha. Ela recusou a oferta espanhola de instalar em Milão uma guarnição espanhola em Turim, com a desculpa de lhe dar um salva-vidas. É relatado que ela teve grande influência sobre Carlos Emanuel I e o reformou para melhor. Ela também serviu como regente várias vezes durante a ausência do duque em campanhas militares, como durante a campanha de Lyon em 1594. Catarina Micaela também beneficiou a vida cultural em Saboia, fundou muitos novos edifícios, incluindo uma galeria de arte. Devido à sua influência, seus filhos foram educados na Espanha.
Catarina Micaela morreu de parto perto do final de 1597. O pai dela morreu no ano seguinte.