Екатерина считалась самой красивой из сестёр Грей, и ее первая свадьба состоялась в тот же день, что и свадьба её старшей сестры Джейн с Гилфордом, которых затем казнили. 13-летнюю Екатерину выдали замуж за Генри Герберта, сына графа Пембрука. Но после того, как семья Грей впала в немилость, свёкор Пембрук, пытаясь всячески откреститься от новых родственников, выставил невестку из дома и добился аннулирования ее брака с Генри.
Но вскоре она влюбилась. Будучи фрейлиной ещё при дворе королевы Марии, Екатерина познакомилась с сыном бывшего (читай: казненного) лорда-протектора – Эдуардом Сеймуром, графом Хартфордом. Между ними завязались романтические отношения, и в марте 1559 года Эдуард попросил у леди Френсис Грей руки её дочери. Она дала согласие на их брак, но с условием, что будет получено разрешение от королевы Елизаветы. Однако молодые решили действовать самостоятельно, и в следующем году в доме Эдуарда состоялась тайная церемония бракосочетания, проведенная католическим священником при единственном свидетеле – сестре жениха Джейн Сеймур.
Некоторое время спустя Елизавета отправила Сеймура и Томаса Сесила, старшего сына Уильяма Сесила, во Францию в целях улучшения образования. Уезжая, Эдуард оставил беременной жене документ, удостоверяющий законность их брака, а также предоставляющий ей право на наследство в случае его смерти. Но вскоре она его потеряла.
Тем временем Екатерине в принудительном порядке было предписано сопровождать королеву в летнем «проезде» по Англии. В полном отчаянии, будучи на восьмом месяце беременности, она тайком наведалась в покои всесильного фаворита королевы Роберта Дадли, умоляя о помощи. Однако тот, из страха быть скомпрометированным её ночным визитом, тут же доложил обо всём Елизавете, которая была вне себя от гнева. Брак Екатерины, как представительницы династии Тюдоров и потенциальной наследницы престола, считался вопросом государственной важности, и поэтому она не имела права выйти замуж без королевского дозволения. Незамужняя и бездетная Елизавета также опасалась, что если у той родится сын, это может спровоцировать государственный переворот. Нет, она не могла этого допустить и тут же приказала заключить Екатерину в Тауэр, куда позже к ней присоединился вернувшийся из Франции муж, Эдуард Сеймур.
В целях выяснения обстоятельств все участники этой драмы – Екатерина, Эдуард и вся их прислуга – были допрошены. Супруги не смогли предоставить никаких доказательств законности их брака: у них не было ни официальных записей, удостоверяющих брак, ни следов обвенчавшего их священника, ни свидетелей, так как леди Сеймур к тому времени умерла.
А пока шли разбирательства, 21 сентября 1561 года Екатерина родила в Тауэре своего первенца, названного Эдуардом – традиционным для семейства Сеймур именем. После долгих споров архиепископ Кентерберийский вынес окончательное решение: брак не был узаконен по церковным канонам, и следовательно недействителен и подлежит аннулированию, а сын леди Грей и Сеймура является незаконнорожденным. Помимо этого, Эдуарду предписали внести в казну штраф в размере 15 тыс. марок за «соблазнение девственницы королевской крови». Но несмотря на все запреты, влюбленные продолжали сожительствовать как супруги, и в феврале 1563 года Екатерина родила второго сына – Томаса, названного в честь некогда казнённых родственников Томаса Сеймура и Томаса Грея.
Узнав об этом, королева окончательно потеряла терпение и по ее приказу пара была разлучена: Эдуард вместе со старшим сыном отправился под домашний арест к своей матери герцогине Сомерсет в Ханворт, а Екатерина с малюткой Томасом – к своему дяде Джону Грею в Эссекс. Но несмотря на опальное положение, Екатерина продолжала оставаться главной претенденткой на престол, а рождение двух здоровых сыновей только укрепило её позиции, обеспечив преемственность наследия. Но и тут Елизавете повезло – 26 января 1568 года леди Екатерина Грей умерла от туберкулёза в возрасте 26 лет – видимо, заключение в Тауэре не прошло для нее бесследно. На протяжении всей своей жизни ее муж Эдуард Сеймур подавал прошения о признании его сыновей законнорождёнными, а также о восстановлении их в правах наследников английского престола, за что однажды был еще раз отправлен в Тауэр. По иронии судьбы, его ходатайство было удовлетворено только в 1606 году, когда уже было слишком поздно – Елизавета к тому времени умерла и к власти пришла династия Стюартов.