Σύμφωνα με τον Ρουφίνο, ύπαρχο της αυλής του αυτοκράτορα Θεοδόσιου, το πρώτο της όνομα ήταν Δωροθέα, ωστόσο μετά τη βαφτισή της, έλαβε το όνομα Αικατερίνα, αυτή δηλαδή που είναι πάντα καθαρή, αγνή (αιέν καθαρινά, δηλαδή «η πάντοτε αγνή»).
Κατά τη φυλάκισή της η αγία υπέμεινε τις πιέσεις και τις κακουχίες με θάρρος και υπομονή, την οποία αντλούσε, από τη δύναμη της βαθιάς της πίστης. Όταν έμαθε η σύζυγος του αυτοκράτορα, Φαυστίνα, τον λόγο για τον οποίο είχε φυλακιστεί και είχε καταδικαστεί σε θάνατο, όχι απλώς συγκινήθηκε από τη στάση της, αλλά ζήτησε να της δοθεί η άδεια να την επισκεφτεί στο κελί της. Το αίτημά της έγινε δεκτό και, έτσι, με συνοδεία 200 στρατιωτών, οι οποίοι είχαν ως επικεφαλής τον Φρούραρχο Πορφυρίωνα ή Πορφύριο, συναντήθηκε μαζί της. Όμως τόσο η Φαυστίνα όσο και οι στρατιώτες προσηλυτίστηκαν από την Αικατερίνη στη νέα θρησκεία.
Ως αποτέλεσμα αυτού, ο αυτοκράτορας διέταξε τον αποκεφαλισμό της συζύγου του, Φαυστίνας, του φρουράρχου και των στρατιωτών και διέταξε την εκτέλεση της αγίας με μαρτυρικό τρόπο.
Για τον θάνατο της Αγίας Αικατερίνης χρησιμοποιήθηκε ο «τροχός των βασανιστηρίων», ένα κυκλικό σίδερο του οποίου η περιφέρεια έφερε καρφιά. Ο τροχός αυτός κινούνταν με σκοινιά και τροχαλίες σιγά-σιγά και ακουμπούσε το δεμένο σώμα του καταδικασθέντος σε θάνατο.
Ο θρύλος μάλιστα αναφέρει ότι τα καρφιά του τροχού, όταν πλησίασαν το σώμα της αγίας, ένα-ένα έσπαγαν, ενώ σύμφωνα με άλλο θρύλο, ο εν λόγω τροχός, πριν πλησιάσει το σώμα της αγίας, διαλύθηκε «εις τα εξ ων συνετέθη». Έτσι, αποφασίστηκε τελικά ο αποκεφαλισμός της, ο οποίος, όταν συνέβη, οι παριστάμενοι αντιλήφθηκαν να ρέει γάλα αντί για αίμα.
Ο οδοντωτός τροχός έγινε το έμβλημα της αγίας και, έτσι, οι μηχανικοί έθεσαν εαυτούς υπό την προστασία της.
Μετά το θάνατο σύμφωνα με τη θρυλική παράδοση, το σώμα της αγίας μεταφέρθηκε υπό «πτερύγων αγγέλων» στο όρος Σινά της ομώνυμης χερσονήσου, όπου επί αιώνες έμεινε άταφο, κατά τους βιογράφους της και την ιερή παράδοση, μέχρι τον 6ο αιώνα, οπότε ερημίτες μοναχοί της περιοχής μέσω οράματος ειδοποιήθηκαν και κατέβασαν από το όρος το σώμα της αγίας και το εναπόθεσαν σε μαρμάρινη θήκη.
Άλλος, ωστόσο, θρύλος, θέλει το πάναγνο σώμα της αγίας να μεταφέρεται υπό «πτερύγων αγγέλων» στο όρος Σινά της ομώνυμης χερσονήσου, όπου επί αιώνες έμεινε άταφο. Έπειτα ενημερώθηκε ο αυτοκράτορας Ιουστινιανός, ο οποίος έκτισε την ιερή Μονή της Αγίας Αικατερίνης του Σινά και την εκκλησία (καθολικό) της Μεταμορφώσεως του Σωτήρος (που κτίσθηκε μεταξύ 548 και 565) εντός της οποίας τοποθετήθηκε η μαρμάρινη θήκη.
Στην εν λόγω μονή διασώζεται ένα σημαντικό θησαυροφυλάκιο της πρώιμης χριστιανικής τέχνης και αρχιτεκτονικής και πλήθος εικονογραφημένων χειρογράφων. Σύμφωνα με μια άλλη εκδοχή του θρύλου, έχοντας απορρίψει η Αικατερίνη πολλές γαμήλιες προτάσεις, ανέβηκε στους ουρανούς κατά τη διάρκεια οράματος και μνηστεύθηκε τον Χριστό.