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Katharina verstarb am 29.04.1380 in der Nähe der Kirche Santa Maria sopra Minerva in Rom und wurde auch auf dem dortigen Friedhof bestattet. Wenig später sollen sich an ihrem Grab erste Wunder ereignet haben. Eine zumindest merkwürdige Sache ist der Zustand ihres Leichnams der zwischen 1430 und 1855 mehrmals, meist zur Reliquingewinnung, exhumiert wurde. 1430, also 50 Jahre nach ihrem Tod, war dieser komplett unversehrt und zeigte kaum Verwesungserscheinungen, Normal wäre das Körpergewebe nach etwa 2 Jahren, Fingernägel, Haare und Sehnen nach etwa 4 Jahren verwest und somit der Körper komplett skelletiert. Katharinas Leichnam soll jedoch selbst 1855 bei der bisher letzten Exhumierung noch in einem recht guten Zustand gewesen sein.
Katharina wird also vermutlich zu einer so genannten Wachsleiche geworden sein, dies sind weitgehend erhaltene Körper, die aufgrund der Bodenbeschaffenheit ganz oder teilweise mumifiziert wurden. Dies kann in stark Lehm- oder Tonhaltigen Böden, einen hohen Grundwasserspiegel oder übermäßige Bewässerung der Gräber vorkommen. Auch einen Einfluß, der jedoch bei Katharina recht sicher ausgeschlossen werden kann ist Bekleidung aus Kunstfasern, diese behindert die Verwesung allein dadurch, das sie sich nicht so schnell zersetzt wie Naturfasern.
Katharina wurde bereits 1461 von Papst Pius II. heilig gesprochen und 1939 zur Schutzpatronin Italiens erklärt. 1999 wurde sie von Papst Johannes Paul II. zusammen mit der hl. Birgitta von Schweden und Edith Stein zur Schutzpatronin von Europa erhoben. Sie wird zur Abwehr von Feuer, Pest und Kopfschmerzen angerufen. Außerdem gilt sie als Patronin der Krankenschwestern, der Sterbenden, der Pfarrsekretärinnen und der Wäscherinnen.