Va néixer a Valldemosa (Mallorca) el 1531 segons uns historiadors o el 1533, segons d'altres. Filla de Jaume Thomás i Margalida Gallard.
Als tres anys va morir el seu pare i als set la seva mare. Òrfena, Caterina va ser recollida per uns oncles seus que la van portar a "Son Gallart". Durant onze anys va viure en aquella finca, a sis o set quilòmetres de Valldemosa. Va ser un moment dur per a Caterina. Apareix llavors en la vida de Caterina un personatge molt decisiu, el venerable pare Castañeda. És un home que ha abandonat el món buscant el total lliurament de la seva ànima al Senyor. Viu als turons i d'almoina. Caterina se li confia: ella vol ser religiosa. A la segona entrevista, el pare Castañeda està convençut. La direcció espiritual del religiós farà encara un gran bé a la noia. Però llavors comença un llarg episodi: el de les dificultats.
Caterina marxa a Palma, per anar realitzant les gestions prèvies al seu ingrés en un convent. I, mentrestant, es col·loca com serventa en una casa. El pare Castañeda recorre els convents de Palma amb l'intent d'ingressar-la en algun. Hi ha un greu inconvenient: Caterina manca de dot. Convent de Santa Magdalena, de Sant Jeroni, de Santa Margarida... Les notícies que el pare va portant a Caterina són descoratjadores. Caterina es refugia en l'oració. Però quan ja tot sembla perdut, els tres convents alhora estan interessats en la jove i estan disposats a admetre-la.
Una tradició representa Caterina asseguda en una pedra del mercat, plorant tristament la seva solitud. I en aquella pedra, segons la mateixa tradició, rep Caterina la notícia que ha estat admesa. Encara es conserva aquesta pedra, adossada al mur exterior de la sagristia de la parròquia de Sant Nicolau, amb una làpida -col·locada el 1826- que la identifica. Caterina decideix ingressar en el primer dels tres convents visitats: el de Santa Magdalena.
Als dos mesos i dotze dies del seu ingrés, Caterina rep el vel blanc. Mitja ciutat de Palma, amb la noblesa al capdavant participa a l'acte, ja que tanta és ja la fama de la noia. Gener de 1553.
Caterina creix en amor i saviesa. Els seus èxtasis són cada vegada més freqüents i intensos. Alguns duren dies. Un dia, Caterina rep l'avís de Déu. Deu anys abans de la seva mort va saber quan seria cridada pel Senyor. L'endemà del Diumenge de Passió de 1574, el 28 de març, després de combregar, va manar cridar el sacerdot perquè se sentia morir. Els metges van dir que no la trobaven greu, però el sacerdot va acudir i amb prou feines rebuts els sagraments, mentre la superiora resava amb ella les oracions, després d'haver demanat perdó a la mare i a les germanes, va caure en un èxtasi al final del qual va lliurar la seva ànima a Déu.
El fervor popular per Santa Caterina Thomàs aniria creixent i mantenint-se de manera que, encara que ella va morir el 1574, la beatificació es dicta per Pius VI el 1792 i la canonització per Pius XI el 1930. El cos de Caterina Thomàs s'ha conservat incorrupte.