Katharina Pawlowna kam im Frühling 1816 als frisch angetraute Gattin des Kronprinzen Friedrich Wilhelm Carl von Württemberg und späteren Königs Wilhelm I. nach Stuttgart. Sie hatte Friedrich Wilhelm als junge Witwe auf dem Wiener Kongress kennengelernt, den sie als ambitionierte und ehrgeizige Zarentochter vor allem auch aus politischem Interesse besuchte. Die Trauung mit dem württembergischen Kronprinzen fand schließlich am 20. Januar 1816 in Sankt Petersburg mit großem Aufgebot an Galadiners, Bällen und Theateraufführungen statt. Am 13. April 1816 hielt das neu vermählte Paar einen feierlichen Einzug in Stuttgart und wurde vor dem Neuen Schloss in Stuttgart nicht nur von der württembergischen Königsfamilie, sondern auch von der Bevölkerung mit großem Geläut und Kanonenschüssen begrüßt.
Für beide war es die zweite Ehe. Katharina war bereits mit Prinz Georg von Oldenburg verheiratet gewesen und hatte mit ihm zwei Söhne, Alexander (1810-1829) und Peter (1812-1881), die sie beide mit nach Stuttgart brachte. Auch Wilhelm I. war bereits verheiratet gewesen, die Ehe mit Prinzessin Charlotte Auguste von Bayern aus der Dynastie der Wittelsbacher blieb kinderlos und wurde am 12. Januar 1816 annulliert. Der Heirat mit seiner Cousine Katharina Pawlowna aus der russischen Zarenfamilie der Romanows stand somit nichts mehr im Wege.
Katharina hatte sich gut auf ihre neue Rolle im vergleichsweise kleinen Königreich Württemberg vorbereitet. Dennoch muss die Ankunft in Stuttgart für die hochgebildete und weitgereiste junge Großfürstin, die in der kultivierten Idylle des Schlosses Pawlowsk bei Sankt Petersburg aufgewachsen war, mit einigen Umstellungen einhergegangen sein.
Das Jahr 1816, das als „Jahr ohne Sommer“ in die Geschichte eingegangen war, brachte auch in Württemberg große Ernteausfälle und damit verbunden einen strengen Hungerwinter 1816/17 mit sich. Katharinas erste Handlungen als Königin von Württemberg galten somit an der Seite ihres Mannes raschen Maßnahmen zur Verbesserung der allgemeinen sozialen Notlage im Land, der unbefriedigenden Position Württembergs im Deutschen Bund sowie dem politischen Ringen um eine Verfassung. Zur Bekämpfung des Hungerwinters setzte sie ein Verbot für die Ausfuhr von Nahrungsmitteln durch, ließ Getreidelieferungen aus Russland kommen und führte Festpreise für bestimmte Lebensmittel ein. Auch die Einrichtung öffentlicher Suppenküchen ist auf ihr entschlossenes Handeln zurückzuführen.
Als Wohnorte dienten der königlichen Familie in erster Linie das Palais Hohenheim an der oberen Königstraße (heute steht dort der sogenannte Mittnachtbau) und das Landhaus Bellevue am Neckarufer bei Cannstatt, das Katharina vor allem in den Sommermonaten bewohnte. Katharina unterstützte ihren Mann in allen seinen politischen Plänen und ihre soziale Arbeit ergänzte sich mit seinen Verwaltungsreformen. Das Paar ging neben allen sozialen und politischen Aktionen hingebungsvoll und verantwortungsbewusst in der Elternrolle auf und legte zudem eine Naturverbundenheit an den Tag, was beispielsweise viele Aufenthalte im Königlichen Privatgestüt Scharnhausen belegen.
Nach der Geburt der ersten gemeinsamen Tochter Marie (1816-1887) bereitete Katharina intensiv die Gründung einer Wohltätigkeitsorganisation vor, die im Januar 1817 ihre Arbeit aufnahm. Ziel war nichts weniger, als eine langfristige Lösung zur Verhinderung des sozialen Elends in der Bevölkerung zu finden. Das ganze Land wurde mit einem Wohltätigkeitsnetz überzogen, das einzelnen Vereinen und Sozialeinrichtungen Unterstützung und Austausch mit dem Dachverband zusagte. Mit der Gründung des „Zentralen Wohltätigkeitsvereins“ (heute Wohlfahrtswerk für Baden-Württemberg) und den damit verbundenen Einzelinstitutionen machte sich Katharina einen Namen in der Geschichte Württembergs. Die Gründungsversammlung der Zentralleitung des Wohltätigkeitsvereins fand am 29. Dezember 1816 im Alten Schloss in Stuttgart statt. Auch die beiden bis dahin in Stuttgart ansässigen Anstalten zur Versorgung von Waisen- und Armenkindern schlossen sich dem Wohltätigkeitsverband an und erhielten später die Namen „Katharinenpflege“ und „Marienpflege“. Ebenfalls auf das soziale Engagement Königin Katharinas zurückzuführen ist die Gründung des bis heute existierenden Katharinenhospitals. Ab 1817 gab es bereits Pläne für den Bau eines zentralen Krankenhauses, das allerdings erst nach dem Tod Katharinas erbaut wurde und dessen Grundstein 1820 gelegt wurde. Die Eröffnung des Krankenhauses fand am 9. Januar 1828 statt, dem neunten Todestag der Namensgeberin Königin Katharina. Heute gehört das Katharinenhospital als Krankenhaus mit Maximalversorgung zu den größten Kliniken der Region Stuttgart.
Doch auch eine langfristige Lösung zur Verhinderung der Armut in der Gesellschaft durch Lebensmittelknappheit war Königin Katharina ein großes Anliegen. So entstand bereits im August 1817 nach dem Vorbild des zentralen Wohltätigkeitsvereins die „Centralstelle des landwirtschaftlichen Vereins“, welche die Förderung nachhaltiger Landwirtschaft zum Ziel hatte. Sie mündete in die landwirtschaftliche Unterrichts-, Versuchs- und Musteranstalt, die durch König Wilhelm I. von Württemberg am 20. November 1818 gegründet wurde und auf die die heutige Universität Hohenheim zurückgeht.
Zunächst als Musterschau für Viehzucht konzipiert, dann als großes landwirtschaftliches Fest ausgelegt, fand am 27. September 1817 das erste Cannstatter Volksfest auf dem Gelände des Cannstatter Wasens statt. Symbol des Erntefestes war eine Fruchtsäule, die vom damaligen württembergischen Hofbaumeister Nikolaus Friedrich von Thouret entworfen und erbaut worden war und die bis heute zentrales Wahrzeichen des jährlich stattfindenden Cannstatter Volksfestes ist.
Ein weiteres Anliegen Katharinas war es, den Sparwillen der Bevölkerung zu fördern. Dadurch sollten auch Einzelpersonen in der Lage sein, eine individuelle Vorsorge für Notzeiten zu schaffen. Am 27. Februar 1818 erteilte der König die Genehmigung zur Gründung der württembergischen Landessparkasse.
Auch das Katharinenstift gehört zu den weiteren wichtigen Gründungen Königin Katharinas, die bis heute von entscheidender Bedeutung für die Bevölkerung der Stadt Stuttgart sind. Am 17. August 1818 sprach sie persönlich bei der Eröffnung eines Pensionats für die Bildung und Erziehung von Mädchen höherer Stände, das nach ihrem Tod in Königin-Katharina-Stift benannt wurde und heute als Gymnasium für Kinder beiderlei Geschlechts mit einem breiten Fächerangebot eine bekannte Institution der Stadt darstellt.
Der überraschende Tod der jungen Königin am 9. Januar 1819 war Nährboden für vielerlei Gerüchte. Bis heute hält sich der Mythos von Katharinas plötzlicher tödlicher Erkältung, die sie ereilt haben soll, nachdem sie zu leicht bekleidet ihrem untreuen Ehemann nach Scharnhausen nachgeeilt sei, um ihn dort mit dessen Geliebten, Baronin Kreudelstein, auch Blanche La Fleche genannt, aufzufinden. Die wenigen tatsächlich überlieferten Quellen – es handelt sich um teilweise minutiös dokumentierte Arztberichte – vermitteln das Bild einer schon länger angeschlagenen, überbelasteten und körperlich erschöpften jungen Frau, bei der möglicherweise eine seit mehreren Tagen sich stetig verschlimmernde bakterielle Entzündung am Mund zu einer Wundrose und in Folge dessen zu einer Durchblutungsstörung im Gehirn führte. So kann zwar ausgeschlossen werden, dass die eheliche Untreue Wilhelms den Tod Katharinas unmittelbar herbeiführte, dass ihr bewegtes Leben keine stärkende Auswirkungen auf ihre Gesundheit hatte, kann jedoch als ebenso sicher gelten.
Nach einer prunkvollen Beisetzung in der Stuttgarter Stiftskirche, der ein Trauerzeremoniell im russisch-orthodoxen Ritus vorangegangen war, wurden die sterblichen Überreste Königin Katharinas im Juni 1824 in die Krypta der eigens für sie auf dem Württemberg bei Stuttgart-Rotenberg errichteten Grabkapelle überführt. Die Trauer um die „Mutter des Volkes“ war in Stuttgart groß und ihre posthume Verehrung fand Ausdruck in vielerlei Gedichten, Liedern und Trauerreden.