El emperador Majencio (306-312) acudió a Alejandría para presidir una fiesta pagana y ordenó a todos los súbditos hacer sacrificios a los dioses. Catalina entró en el templo pero, en lugar de sacrificar, hizo la señal de la cruz. Y dirigiéndose al emperador lo reprendió exhortándolo a conocer al verdadero Dios. Conducida al palacio, ella reiteró su negativa a hacer sacrificios pero invitó al emperador a un debate.


En la prueba del debate filosófico, los sabios resultaron convertidos al cristianismo por Catalina, lo que provocó la ira del emperador, quien hizo ejecutar a los sabios, no sin proponerle antes a Catalina que se casara con uno de ellos, a lo que ella se negó rotundamente. Majencio trató de convencerla con promesas, pero al no lograrlo mandó flagelarla y encerrarla en prisión. Allí fue visitada por la propia emperatriz y un oficial, Porfirio, que terminó por convertirse junto con otros doscientos soldados, según señala la Passio.


El emperador ordenó entonces que torturaran a Catalina utilizando para ello una máquina conformada por unas ruedas guarnecidas con cuchillas afiladas. Según la Passio, las ruedas se rompieron al tocar el cuerpo de Catalina, quien salió ilesa. La emperatriz trató de interceder a favor de Catalina, pero fue decapitada, al igual que Porfirio y sus doscientos soldados.

Su tumba se había encontrado al pie del Monte Sinaí, en el monasterio que lleva su nombre, lo que dio motivo a peregrinaciones de todo el mundo, especialmente apreciada por los peregrinos de Tierra Santa.


La leyenda narra que los monjes del monasterio construido a los pies del Monte Sinaí descubrieron en una gruta de la montaña el cuerpo intacto de una joven a la que reconocieron como a Catalina de Alejandría. Según la Passio, el cuerpo había sido depositado allí por los ángeles. Así, la Passio se presenta adornada con un conjunto de lugares comunes hagiográficos, no históricos.


El primer vestigio de su culto se encontró en una pintura del siglo VIII hallada en Roma. Su veneración se expandió desde la segunda mitad del siglo X, y fue una de las más difundidas por toda Europa, particularmente en Francia, en el siglo XII, de la mano de los cruzados. La Iglesia ortodoxa la celebró. Santa Catalina y Santa Dorotea fueron representadas con gran frecuencia en altares medievales húngaros a lo largo de los siglos XIV y XVI, convirtiéndose en figuras muy populares junto a Santa Isabel de Hungría y a Santa Margarita de Hungría. En toda Europa se extendió el culto a Santa Catalina: muchas iglesias tienen imágenes o cuadros de la santa.


La difusión de la devoción inspiró a los artistas, quienes representan a la santa con una aureola tricolor: blanca, simbolizando su virginidad; verde por su sabiduría y roja por su martirio. La rueda que se utilizó para su suplicio está, casi siempre, representada detrás de ella.