Elle reçut les enseignements de plusieurs érudits et devint rapidement aussi savante que ses maîtres.
Catherine (du grec Katharos qui veut dire "pur") fut d'abord païenne. Mais une nuit, elle vit le Christ et se convertit au Dieu unique des chrétiens. L'empereur romain Maximien (v.250 - v.310), de passage en Égypte pour présider à des fêtes païennes, entendit parler d'elle et apprit qu'elle voulait le convertir.
Agacé par les prétentions de cette jeune fille, Maximien lui fit affronter cinquante rhéteurs afin de lui faire renier sa nouvelle foi. Contre toute attente, c'est la jeune Catherine qui remporta cette confrontation, si bien qu'elle convainquit les philosophes du bien-fondé de la chrétienté.
Fou de rage, Maximien condamna au bûcher les cinquante rhéteurs et emprisonna Catherine pendant plusieurs jours. La légende affirme qu'une colombe vint la nourrir pendant son incarcération.
La jeune femme aurait même réussi à convertir Faustina, la femme légitime de l'empereur, ainsi que Porphyrius, le chef de sa garde, lequel convertit ensuite près de deux cents soldats.
Hélas, tous furent par la suite exécutés.
Maximien, exaspéré par la foi de Catherine, ne l'en trouvait cependant pas moins belle et tenta sa chance en la demandant en mariage. Demande à laquelle Catherine répondit par un non sans appel puisqu'elle s'était liée à Jésus, devenant son épouse exclusive.
Or l'empereur, dont la fierté et l'orgueil furent cruellement blessés par ce refus, décida de la châtier en la contraignant à subir le supplice d'une roue garnie de pointes acérées.
Miraculeusement, les pointes se fracassèrent au contact du corps virginal de Catherine, aveuglant même ses bourreaux.
Vraisemblablement, la belle Catherine jouissait d'une protection divine. Ce qui, évidemment, enragea un peu plus Maximien qui exigea qu'on la décapite.
La légende dit encore qu'une fois la tête de Catherine séparée de son corps, ce serait du lait et non du sang qui aurait coulé de sa mortelle blessure.
Plus de cent ans après ces événements, des moines découvrirent le cadavre intact d'une jeune femme incroyablement belle et l'identifièrent comme étant celui de Catherine d'Alexandrie.
Ils le transportèrent sur le mont Sinaï, à l'emplacement d'un monastère construit par l'empereur Justinien le Grand, vers 542, portant aujourd'hui le nom de : Monastère de Sainte Catherine du Mont Sinaï (figurant sur la liste du Patrimoine mondial de l'UNESCO depuis 2002).
Depuis, les gardiens des reliques de Catherine appartiennent à l'Ordre des Chevaliers de Sainte Catherine du Sinaï.
Cette légende de Catherine d'Alexandrie ne parvint en Occident qu'avec les Croisades, plusieurs siècles après.
Le Moyen-Äge récupéra l'image de cette jeune vierge érudite pour en faire la patronne des jeunes filles non mariées. Tout un culte prit naissance autour de Catherine, et des statues incarnant la martyre furent édifiées dans de nombreuses chapelles et églises.
Quelques artistes la représentèrent aussi auréolée de trois anneaux : l'un blanc symbolisant sa virginité, l'un vert représentant sa connaissance et l'autre rouge afin de marquer son martyre.
Elle fut l'une des saintes qui s'attira le plus de dévots dans toute l'Europe chrétienne pendant des siècles.