Por volta de 1353, Catarina teve sua primeira experiência mística, que determinaria o curso de toda a sua vida. Enquanto retornava com seu irmão Estêvão da casa de sua irmã casada, Boaventura, ao passar pela via Valle Piatta, em Sena, Catarina olhou para cima e viu, pairando sobre a Igreja de São Domingos, uma visão esplêndida. Ela contemplou Jesus Cristo sentado em um trono imperial, vestido com paramentos pontificais (incluindo a tiara papal e a mitra), ladeado pelos apóstolos Pedro e Paulo e pelo evangelista João.

Jesus olhou para ela com uma ternura majestosa, sorriu e a abençoou solenemente com o sinal da cruz, como faz um bispo. Catarina ficou tão "arrebatada em admiração" que permaneceu imóvel, ignorando os chamados do irmão e o movimento da rua, até que Estêvão a puxou pelo braço. Quando a visão desapareceu, ela chorou amargamente, culpando sua própria "negligência" por ter desviado o olhar. A partir desse momento, ela deixou de se comportar como uma criança comum, dedicando-se a orações secretas e mortificações inspiradas nas vidas dos santos.

Aos sete anos de idade, Catarina já demonstrava uma maturidade espiritual extraordinária. Influenciada pelas leituras da Leggenda Aurea e pelas histórias dos Padres do Deserto, ela sentiu um desejo ardente de pertencer exclusivamente a Deus. Em um canto isolado de sua casa, ela se ajoelhou e dirigiu uma oração fervorosa à Virgem Maria, pedindo que ela lhe concedesse seu Filho como único Esposo.

Nesta consagração, Catarina prometeu solenemente: "Eu prometo a teu Filho e a ti nunca aceitar outro noivo". Este voto foi o alicerce de sua resistência anos mais tarde, quando seus pais, Tiago e Lapa, tentaram forçá-la a um casamento vantajoso por volta dos doze anos. Para demonstrar a seriedade de seu compromisso e afastar pretendentes, ela seguiu o conselho de seu primo dominicano, Tomás della Fonte, e cortou seus longos cabelos, que eram o orgulho de sua beleza física, enfrentando a ira e os castigos domésticos de sua mãe.

Catarina foi uma mulher "iletrada" por grande parte de sua juventude, mas seu desejo de rezar o Ofício Divino e os Salmos a levou a buscar ajuda divina. Ela tentou aprender o alfabeto com amigos por semanas, mas sua mente não conseguia fixar o aprendizado. Em oração, ela disse a Deus: "Senhor, se é de tua vontade que eu aprenda a ler... digna-te ensinar-me o que não sou capaz de aprender sozinha".

Segundo o relato de seu confessor, Frei Raimundo de Cápua, antes mesmo de terminar a oração, Catarina recebeu o dom da leitura instantânea. Ela passou a ler manuscritos com fluência perfeita, embora, curiosamente, não conseguisse soletrar nem identificar letras isoladamente. Anos mais tarde, em outubro de 1377, ela afirmou ter aprendido também a escrever milagrosamente durante um sono profundo ou êxtase, sob a instrução mística de São João Evangelista e São Tomás de Aquino. Suas duas primeiras cartas escritas de próprio punho foram redigidas nesse período, enquanto estava no vale do Orcia.

Em 1370, Catarina vivenciou um dos episódios mais impressionantes de sua mística. Após rezar intensamente o Salmo 50 ("Cria em mim, ó Deus, um coração puro"), ela pediu que Jesus retirasse sua vontade e seu coração. Em uma visão, o Salvador apareceu, abriu o lado esquerdo de Catarina, retirou seu coração e o levou consigo. Catarina afirmou ao seu confessor que, por dois dias, sentiu fisicamente que não possuía mais um coração no peito.

Posteriormente, na capela delle Volte, Jesus reapareceu portando um coração humano vermelho e radiante, inserindo-o no peito dela e dizendo: "Filhinha, no outro dia tomei o teu coração... agora te dou o meu, e doravante estará no lugar que o teu ocupava". Como prova física deste milagre, permaneceu uma cicatriz em seu lado, vista por suas companheiras. Além disso, seu novo coração pulsava com tal força que o som podia ser ouvido por quem estava ao seu lado durante suas orações.

Ocorreu durante a última noite do Carnaval de 1367, enquanto a cidade de Sena estava imersa em festas profanas. Catarina, então com cerca de 20 anos, estava em oração pedindo a Deus que aumentasse sua fé. Jesus apareceu acompanhado da Virgem Maria, de São João Evangelista, São Paulo, São Domingos e do Rei Davi tocando harpa.

A Virgem Maria tomou a mão de Catarina e a apresentou ao Filho, que colocou em seu dedo um anel de ouro adornado com um diamante central e quatro pérolas. Jesus disse: "Eu, teu Criador e Salvador, desposo-te na fé". Embora invisível para os outros, Catarina via esse anel em seu dedo pelo resto da vida. Em suas cartas, ela descreveu misticamente este anel como sendo feito não de metal, mas da carne circuncidada de Cristo, simbolizando a união total através do sangue da redenção.

A partir de 1370, o organismo de Catarina sofreu uma alteração inexplicável para os médicos da época. Ela perdeu completamente a capacidade de digerir alimentos sólidos, vivendo por anos sustentada quase exclusivamente pela Sagrada Comunhão cotidiana. Quando tentava comer para aplacar a preocupação de sua família, seu corpo reagia com dores violentas e rejeitava o alimento imediatamente.

Catarina descrevia que a própria visão da Hóstia ou o contato com um sacerdote que tivesse acabado de celebrar a Missa a saciavam de tal forma que ela perdia todo o apetite corporal. Frei Raimundo testemunhou que, apesar da extrema magreza e fraqueza aparente, Catarina recebia uma energia sobrenatural após comungar, sendo capaz de realizar longas viagens e trabalhar incansavelmente pela reforma da Igreja.

Catarina realizou diversos prodígios para socorrer os necessitados e sua própria comunidade. Em uma ocasião de extrema escassez em Sena, ela foi até a despensa de sua casa e começou a preparar pães com uma farinha que estava estragada e mofada. Por intercessão da Virgem Maria, que lhe apareceu na cozinha, a massa multiplicou-se e os pães resultantes foram descritos como os mais deliciosos e brancos já vistos, alimentando dezenas de pessoas.

Outro relato famoso envolve um barril de vinho na casa da família Benincasa que estava praticamente vazio ou azedando. Catarina, movida pela caridade para com os operários de seu pai, orou e o barril passou a fornecer um vinho de excelente qualidade em abundância, mesmo quando verificado que o recipiente estava fisicamente seco por dentro.

Existem múltiplos testemunhos documentados no processo de canonização sobre a recepção milagrosa da Eucaristia por Catarina. Em várias ocasiões, a Hóstia Sagrada saía das mãos do sacerdote celebrante e viajava pelo ar até a boca da santa. O próprio Frei Raimundo relata ter sentido a Hóstia "tremer" e escapar de seus dedos como uma "pedrinha lançada com força" em direção aos lábios de Catarina enquanto ele hesitava em dar-lhe a comunhão devido ao seu estado de êxtase.

Em outro episódio, Catarina chegou atrasada a uma Missa e estava no fundo da igreja, proibida de se aproximar do altar. No momento da fração do pão, um fragmento da hóstia deixou o altar por vontade divina e viajou através de toda a nave da igreja para que ela pudesse comungar, para o espanto do sacerdote que viu o fragmento desaparecer.

Devido à sua intensa sede pela Eucaristia e à frequência com que entrava em êxtases profundos após a comunhão — o que muitas vezes causava transtornos e curiosidade excessiva em igrejas públicas — Catarina recebeu uma concessão única. O Papa Gregório XI emitiu uma Bula especial autorizando Catarina a ter um altar portátil e três sacerdotes confessores (incluindo Frei Raimundo e Frei Bartolomeu) em sua comitiva permanente.

Este privilégio permitia que ela assistisse à Missa e recebesse os sacramentos em qualquer lugar, a qualquer hora, sem necessidade de autorização dos bispos locais. Os sacerdotes também receberam poderes especiais para absolver todos os pecadores que fossem movidos à conversão através das palavras e do exemplo de Catarina durante suas viagens apostólicas.

Em 1370, Catarina passou por uma experiência traumática e gloriosa: seu coração literalmente "quebrou" sob a pressão do amor divino, e ela morreu fisicamente por quatro horas. Durante esse tempo, sua alma deixou o corpo e ela contemplou os mistérios da eternidade, vendo a glória dos santos, o sofrimento das almas no Purgatório e o tormento dos condenados no Inferno.

Deus, então, ordenou que ela retornasse à vida terrena, dizendo: "A salvação dos homens exige que tu voltes... levarás a minha mensagem a papas, bispos e governantes". Ao retomar a consciência, Catarina chorou inconsolavelmente por três dias, sentindo-se uma "estrangeira" na terra e lamentando ter sido privada da visão de Deus para retornar à "prisão do corpo" e à miséria do mundo. Foi esse evento que marcou o fim de seu isolamento absoluto e o início de sua intensa vida pública.