Az egyik legrégibb és leggazdagabb főúri család sarjaként 1892. szeptember 15-én látta meg a napvilágot Tiszadobon. Nagyapja Andrássy Gyula gróf volt, akit a szabadságharc után halálra ítéltek, majd az 1867-es kiegyezés után Magyarország első miniszterelnöke lett, apja Andrássy Tivadar szabadelvű képviselő és híres műpártoló, anyja Zichy Eleonóra grófnő volt. Iskoláit magántanulóként, majd a budapesti Notre Dame de Sion zárda leányiskolájában végezte.

A fiatal grófkisasszony 1914-ben szerelemből lett Károlyi Mihály gróf, a nála tizenhét évvel idősebb függetlenségpárti politikus felesége. Mindketten a magyar baloldal elkötelezettjei voltak, Vázsonyi Vilmos igazságügy-miniszter 1917-ben állítólag ezt mondta: "Lecsukatom a Vörös Katát, ha tovább folytatja üzelmeit."

Katinka 1918. október 29-én, az őszirózsás forradalom idején Bécsbe utazott, hogy mostohaapja, ifjabb Andrássy Gyula külügyminiszter révén megszerezze az udvar hozzájárulását a független magyar kormány magalakulásához. Károlyit 1918. október 31-én nevezte ki a királyt homo regiusként teljhatalommal helyettesítő József főherceg miniszterelnökké. IV. Károly lemondása után, 1918. november 16-án Magyarországon kikiáltották a népköztársaságot, majd 1919. január 11-én Károlyi lett a köztársasági elnök. A tisztséget alig két hónapig töltötte be: március 21-én a Vix-jegyzék elfogadhatatlan területi követelései miatt lemondott, a hatalmat a Tanácsköztársaság vezetői vették át.

Károlyi július 5-én feleségével Ausztriába utazott, ahol Horthyék hatalomra kerülése után élénk propagandatevékenységet fejtett ki. A mindinkább balra tolódó volt köztársasági elnököt 1923-ban teljes vagyonelkobzásra ítélték itthon, a házaspár így szegénységben nevelte három gyermekét. Katinka sokféle munkát vállalt, még taxit is vezetett, hogy megkeresse a kenyérrevalót. 1938-ban Nagy-Britanniában telepedtek le, s mindent megtettek a magyar emigráns csoportok egyesítéséért. Károlyiné több száz újságcikket írt, riportsorozatot készített a Szovjetunióról, s személyes szerepe volt abban, hogy a BBC sugározta üzeneteiket Magyarországra.

Az 1945-ös magyarországi nemzetgyűlési választások után Károlyi behívott képviselő lett, az Országgyűlés az 1946. évi II. törvénycikkben törvénybe iktatta érdemeit, megsemmisítette az őt elmarasztaló ítéleteket, és visszajuttatta vagyona egy részét. A hazatérésre mégis nehezen szánta rá magát, s csak 1946 májusában lépett magyar földre. Idehaza Katinka gyermekotthont szervezett a visszakapott fóti Károlyi-birtokon. Az országot 1947-ben hagyták el újra, amikor Károlyit franciaországi nagykövetté nevezték ki. E tisztségéről 1949. június elején, Rajk László letartóztatásának hírére mondott le. Feleségével a dél-franciaországi Vence-ban telepedtek le, s megpróbálták mozgósítani a nemzetközi közvéleményt a hazai koncepciós perek szervezőivel szemben.

Károlyi 1955-ben bekövetkezett halála után özvegye 1963-ban hazatelepült, a belvárosi Károlyi-palotában kapott egy lakosztályt, ettől kezdve idejét megosztotta szülő- és befogadó hazája közt. Önéletrajzi visszaemlékezéseinek két kötete (Együtt a forradalomban és Együtt a száműzetésben) a kor fontos forrásmunkája. Utolsó éveiben, bár a kommunista hatalomtól számos kitüntetést kapott, körülötte és Rajk Júlia körül szerveződött a Kádár-rendszer ellenzéke.

Andrássy Katinka 93 éves korában a franciaországi Vence-ban hunyt el 1985. június 12-én, hamvait kívánsága szerint magyar földben temették el. Életéről Kovács András rendezett filmet A vörös grófnő címmel.