Katharina von Habsburg entstammte dem mächtigen Hause Habsburg und wuchs als Tochter von König Rudolf I. und seiner Gemahlin Gertrud von Hohenberg auf. Schon in jungen Jahren war sie Teil dynastischer Allianzen, die im spätmittelalterlichen Europa politische Bindungen zwischen Fürstenhäusern festigen sollten. In einer Phase, in der sich Bayern und Österreich näher kamen, wurde Katharina mit Otto III., Herzog von Niederbayern, verlobt und in Wien mit ihm verheiratet. Diese Ehe war Teil eines Aushandlungsprozesses zwischen ihrem Vater und dem niederbayerischen Herzog Heinrich XIII., in dessen Folge auch Landrechte und Mitgiften vertraglich geregelt wurden. 

Katharina und Otto führten eine kurze Ehe, die von politischen Erwägungen und territorialen Interessen geprägt war. Obwohl ihre Verbindung Hoffnung auf eine dauerhafte Stabilisierung des Verhältnisses zwischen den beiden Häusern bot, hielt diese Annäherung nur begrenzt an. Die ursprünglich vereinbarte Mitgift wurde im Zuge sich ändernder Machtverhältnisse reduziert, und der politisch motivierte Austausch von Gebieten wurde später wieder rückgängig gemacht. 

Während ihrer Ehezeit in Niederbayern lebte Katharina am herzoglichen Hof, wo sie politisch und gesellschaftlich eingebunden war. Trotz der dynastischen Bedeutung dieser Verbindung führten gesundheitliche Umstände dazu, dass ihr Leben bereits nach wenigen Jahren endete. Ihre Ehe mit Otto blieb ohne überlebende Nachkommen; zwei Kinder, die kurz nach ihrer Geburt zur Welt kamen, starben noch im selben Jahr. Katharina wurde in Landshut beigesetzt, ihr Tod markierte das frühe Ende einer Verbindung, die für die wittelsbachisch-habsburgischen Beziehungen symbolisch war und die politischen Netzwerke des Reiches widerspiegelte.