Figlia di Giovanni, gentiluomo ferrarese al servizio dei marchesi d’Este, e di Benvenuta Mammolini, Caterina nacque a Bologna l’8 settembre 1413. Tra il 1420 e il 1423 si trasferì con la madre a Ferrara e dopo qualche tempo andò a vivere alla corte estense come dama di compagnia della figlia di Niccolò III d’Este, Margherita. Il periodo trascorso alla corte estense, allora uno dei più vivaci centri di cultura umanistica, fu decisivo per la formazione di Caterina.

Il palazzo della famiglia bolognese Bentivoglio venne costruito per volontà di Sante Bentivoglio in strada San Donato (odierna via Zamboni) a partire dal 1460 e fu completato successivamente grazie all’intervento del cugino Giovanni II Bentivoglio. La facciata principale su strada San Donato, adornata da capitelli e cornicioni ricoperti di oro zecchino tali che valsero alla dimora l’appellativo di Domus Aurea, misurava 30 metri, mentre i fianchi superavano i 140 metri di lunghezza.

Bologna nei primi decenni del Quattrocento divenne per ben due volte sede della corte papale, dapprima di Alessandro V, passato alla Storia come antipapa (il cui monumento sepolcrale è conservato nella Basilica di Francesco) tra il 1409 e il 1410, poi di Eugenio IV dal 1436 al 1438.