Catharina von Bülow studierte allgemeine und vergleichende Literaturwissenschaft sowie Musikwissenschaft an der Goethe-Universität Frankfurt am Main.
Von 2019 bis 2024 war sie Spielleiterin an der Bayerischen Staatsoper, assistierte dort u. a. Katie Mitchell, Dmitri Tcherniakov und wiederholt Barrie Kosky und Christoph Marthaler und war für die Inszenierung des Festspiel-Sonderkonzerts Feuer – Next Generation im Nationaltheater sowie drei Ausgaben der Reihe Die unmögliche Enzyklopädie verantwortlich. Außerdem gestaltete und plante sie die Weihnachtskonzerte 2023 und 2024 im Brainlab.
Ab 2014 war sie freie Mitarbeiterin der Dramaturgie an der Oper Frankfurt, hospitierte bei Claus Guth, Keith Warner und Eva-Maria Höckmayr und arbeitete dramaturgisch bei Harry Kupfers Iwan Sussanin.
Von 2016 bis 2018 war sie als Musiktheaterdramaturgin am Staatstheater Darmstadt engagiert. Nach ihrem Regiedebüt in der Spielzeit 2023/24 am Theater für Niedersachsen, Hildesheim mit Humperdincks Märchenoper Dornröschen, inszenierte sie 2024/25 Der herzlose Riese (Elena Kats-Chernin) am Theater an der Wien sowie Michael Endes Tranquilla Trampeltreu/Der Lindwurm und der Schmetterling (Wilfried Hiller) an der Bayerischen Staatsoper.
2025/26 folgte eine Regiemitarbeit bei Christoph Marthalers Die Unruhenden an der Hamburgischen Staatsoper. Mit der Produktion Holle! (Sebastian Schwab) kehrt sie ans Theater an der Wien zurück und gibt ihr Debüt bei den Salzburger Festspielen.