Małżeństwo i rodzina W trakcie całego swojego panowania przyszły teść Katarzyny, książę Monako, Honoriusz II Grimaldi dążył do tego, by księstwo zrezygnowała z bycia sojusznikiem Hiszpanii na rzecz wspierania Francji. Zadecydował, że król Francji, Ludwik XIV zostanie ojcem chrzestnym jego wnuka i przyszłego księcia, Ludwika I Grimaldi. Poza tym wybrał dla wnuka żonę – Katarzynę Charlotte de Gramont. Małżeństwo zostało zawarte w 1660 roku. Dwa lata później książę Honoriusz II zmarł, pozostawiając tron wnukowi (jego jedyny syn zmarł kilkanaście lat wcześniej). Katarzyna została księżną Monako.
Pierworodny syn książęcej pary przyszedł na świat 25 stycznia 1661. Otrzymał imię Antoni. Kolejne dziecko, tym razem córka, Joanna Maria Devote urodziła się 14 stycznia 1662, zmarła 21 kwietnia 1741, była siostrą zakonu wizytek na terenie Monako i Francji. 20 maja 1663 urodziła się Teresa Maria Aurelia, znana jako mademoiselle Baux, która zmarła 15 lutego 1675. Czwarte dziecko, Anna Hipolita, przyszła na świat 26 lipca 1664, w 1696 wyszła za Jakuba Karola de Crussol, księcia d'Uzes. Zmarła 3 lipca 1700. Drugi syn urodził się im 21 grudnia 1669, zmarł 16 lutego 1748, nosił imiona Franciszek Honoriusz, był opatem Monako i arcybiskupem Besançon.