Tudásának híre messze földre elterjedt, és felkereste őt Maxentius császár (306–312) is. Ám amikor az uralkodói parancs ellenére Katalin nem volt hajlandó részt venni az ünnepségen, amelyen a római isteneknek áldoztak, magára vonta a császár haragját. Tanúságot tett arról, hogy Jézus Krisztust követi, mert a filozófusok és a költők műveinek tanulmányozása során fölismerte e világ bölcsességének hiábavalóságát.
A császár először nem akarta kivégeztetni a királylányt, ezért megbízott ötven filozófust, hogy térítsék őt vissza a rómaiak hitére. Ám a tudós férfiak hiába próbálkoztak: Katalin oly bölcsességgel védelmezte hitét, hogy érvei még a filozófusokat is meggyőzték, s mind keresztényekké lettek. A császár a férfiakat máglyára küldte. Katalinnak továbbra is megkegyelmezett volna, mert megtetszett neki, ám ő visszautasította az uralkodót, aki végül megkorbácsoltatta és börtönbe vettette.
Maxentius felesége kíváncsiságból felkereste Katalint a börtönben. A lány őt is, valamint a rá vigyázó katonákat is megtérítette. Amikor ez kiderült, a császár mindannyiukat halálra ítélte. Katalint vastőrökkel kirakott keréken akarták kivégezni, ám a kínzóeszköz csodálatos módon darabokra tört. Végül lefejezték. A legenda szerint testét angyalok vitték el a Sínai-hegyre.
