Catherine Trottmann naît à Rome en 1992. Elle commence ses études musicales à 6 ans dans la classe de flûte traversière du Conservatoire de Dijon, puis se tourne vers le chant à 15 ans. Son diplôme de fin d'études décroché, elle est reçue première au CNSMP alors qu'elle n'a que 18 ans. Remarquée pour son timbre particulièrement riche, elle fait ses débuts dans L'Enfant et les sortilèges de Ravel en 2011 avec l'Orchestre National d’Île-de-France à la Salle Pleyel de Paris. Elle prend le rôle de Siebel dans Faust (Gounod), mis en scène par Paul-Emile Fourny sur l'île d'Yeu. La chanteuse prête sa voix à Ramiro en 2012 dans La Fausse Jardinière mis en scène par Emmanuelle Cordoliani à la Cité de la musique avec le CNSM, qu'elle retrouve en 2013 en Femme de Chambre dans La Ronde de Boesmans. 

En 2014, elle prend rôle-titre masculin d'Hänsel et Gretel de Humperdinck à Metz. Toujours en 2014, elle crée le rôle de La Rose dans le Petit Prince de Levinas à Lausanne, Lille, Genève ainsi qu'au Théâtre du Châtelet, puis elle rejoint la troupe de l'Opéra d’État de Vienne pour une saison : elle y est Flora dans La Traviata en 2015. La même année, elle est nommée Révélation lyrique par l'ADAMI. Elle retourne à Lausanne en Tisbé dans La Cenerentola et ouvre 2016 avec un autre rôle rossinien, celui de Zaïda dans Le Turc en Italie à Dijon. A l'Opéra de Vienne, elle prend alors le rôle de Cherubino dans Les Noces de Figaro, rôle qu'elle retrouve l'année suivante à Strasbourg. En 2017, elle est également nommée Révélation artiste lyrique aux Victoires de la Musique. Lausanne lui offre alors le rôle de Zerlina dans Don Giovanni de Mozart, puis elle chante Rosina en remplacement de Kate Lindsey dans Le Barbier de Séville au TCE et crée le rôle-titre de Tistou les pouces verts à Rouen. En 2018, elle incarne Stephano dans Romeo et Juliette de Gounod à Nice et retrouve Siebel (Faust) à Saint-Etienne. Son rôle de Flora dans La Traviata lui offre ses débuts au Capitole de Toulouse la même année, puis à l'Opéra de Paris en 2019. Toujours à Paris, elle chante Diane dans Iphigénie en Tauride (Gluck) au TCE. Elle incarne alors le rôle de Cunégonde dans Le Roi Carotte à Lyon. En 2020, elle prend le rôle-titre de l'Enfant et les sortilèges à Limoges. 

En 2021/2022, Catherine Trottmann chante Isolier dans Le Comte Ory à Massy en octobre, puis Gianetta dans l'Elixir d'amour en concert au TCE en janvier. Elle retrouve L'Enfant et les sortilèges à Lille en février, puis revient à l'Elixir d'amour, mais cette fois en Adina pour l'Opéra de Bordeaux en avril.