Брак Екатерины устроил папа Климент VII. Сначала предполагалось выдать ее за герцога Орлеанского, но в конце концов в октябре 1534 года она вышла замуж за сына короля Франции, дофина Генриха Валуа. В это время она была влюблена в своего кузена Ипполита Медичи, который, по слухам, намеревался отказаться от кардинальской шапки и взять ее в жены. Однако в вопросах брака в те времена важны были не чувства, а политические расчеты.
Екатерина, оказавшись при французском дворе, быстро снискала доверие своего тестя, короля Франциска I. Со стороны недоброжелателей всегда слышались колкости в ее адрес по поводу незнатного для королевской семьи происхождения, ее прозвали «флорентийской купчихой». Она держалась в тени мужа, довольствуясь на первых порах ролью жены наследника престола, а потом — короля Генриха II. То, что ее приближенными были итальянцы, не прибавляло ей веса при французском дворе. Екатерина всегда принимала сторону мужа, поддерживала его в трудные минуты. Однако она смогла проявить свою харизму и политические способности.
В личной жизни она сумела с достоинством снести обиды, которых в союзе с Генрихом было предостаточно. Не отличаясь красотой, Екатерина проигрывала в соперничестве за внимание мужа его многолетней фаворитке Диане де Пуатье. Супруг король делил ложе с женой исключительно по обязанности, королева же в течение 10 долгих лет не могла забеременеть. При дворе ходили сплетни о ее бесплодии. В какой-то момент было даже принято постановление о разводе. Наверное, отсюда возникло ее пристрастие к медикам, ясновидящим и магам. Екатерина велела готовить для себя отвары, избегала ездить на муле, неспособном иметь потомство. Искала совета в каббале, талисманах, формулах алхимиков. Она была суеверна и в то же время набожна. Страх перед бесплодием и отчуждением мужа толкал ее в сети чернокнижников. Только после лечения в 1544 году Екатерина родила первого сына, впоследствии короля Франциска II. В течение последующих 12 лет она родила 10 детей, из которых в живых осталось семеро.
Веру Екатерины в астрологию и магические практики укрепили события 1559 года. Эти события предсказал четырьмя годами ранее Нострадамус. В марте 1555 года в лионском издательстве вышли его «Центурии». Астролог предсказывал в них гибель короля во время рыцарского турнира следующими словами:
Екатерина умоляла мужа, чтобы он не участвовал в ристалище, однако тот не желал ее слушать. Во время поединка Габриель Монтгомери сломал копье, и щепки от него попали королю в глаз. Когда через 10 дней Генрих II умер, Екатерина была так потрясена, что упала в обморок.
Открывшиеся в ней политические таланты вдова проявила во время правления со своими сыновьями. Это был трудный период в истории Франции. Страну сотрясали религиозные конфликты и соперничество религиозно-политических партий. Этих волнений очередные Валуа на французском троне усмирить были не в состоянии. Страна представляла собой пороховую бочку, а запалом для нее мог стать любой пустяк. Особенно беспощадно за влияние при королевском дворе бились между собой две партии: католическая фракция герцогов де Гизов, родственников Валуа, и протестанты во главе с адмиралом Гаспаром де Колиньи. Екатерина в тот период не проявляла религиозного рвения. Некоторые даже полагали, что она сочувствует гугенотам. Однако она считала усиление влияния де Колиньи опасным и вместе с Гизами готовила на него покушение. Провал этого заговора толкнул Екатерину на безумие — устроить резню гугенотов. Ее слабовольный сын Карл IX дал на это согласие. Таким образом, шаг этот был продиктован не религиозными, а государственными соображениями. Парадоксально, что благоприятной возможностью для расправы с протестантами стало событие, которое должно было послужить их примирению с католиками.