Santa Catalina regresó de esta manera a Siena, donde prosiguió su vida de oración. Ella obtuvo la unión perpetua de su alma con Dios. Aunque a veces estuviera obligada a conversar con diferentes personas sobre varios y diversos asuntos, ella siempre estaba ocupada y absorta en Dios. En una visión, Jesús se le presentó con dos coronas, una de oro y otra de espinas, ofreciéndole elegir con cuál de las dos se complacería. Ella respondió: "Yo deseo, Oh Señor, vivir aquí siempre conforme a tu pasión, y encontrar en el dolor y en el sufrimiento mi reposo y deleite." Luego, tomando ansiosamente la corona de espinas, se la colocó sobre la cabeza.
En 1378, cuando Urbano VI fue electo Papa, su temperamento hizo que los cardenales se distanciaran, y que varios de ellos se retiraran. Luego declararon la elección nula, y eligieron a Clemente VII, con quien se retiraron de Italia y residieron en Avignon. Santa Catalina escribió largas cartas a los cardenales quienes primero habían reconocido a Urbano, y luego eligieron a otro; presionándolos a volver a su pastor legal. Ella también le escribió a Urbano mismo, exhortándolo a sobrellevar con temple y gozo los problemas en que se encontraba, y a aplacar el temperamento que le había llevado a tener tantos enemigos. A través del Padre Raimundo de Capua, su confesor y posteriormente su biógrafo, el Papa pidió a Santa Catalina regresar a Roma. El la escuchó y siguió sus instrucciones. Ella también escribió a los reyes de Francia y de Hungría para exhortarlos a renunciar al cisma.
Mientras trabajaba afanosamente para extender la obediencia al verdadero Papa, la salud de Santa Catalina comenzó a deteriorarse. Ella falleció de un ataque súbito a los 33 años en Roma. Los habitantes de Siena deseaban conservar su cabeza. Hubo un milagro que se comentó en el cual tuvieron un éxito parcial. Sabiendo que ellos no podían llevar a escondidas todo su cuerpo fuera de Roma, decidieron llevar solo su cabeza, la cual colocaron en un bolso. Cuando fueron detenidos por los guardias romanos, oraron para que Santa Catalina los ayudara. Cuando los guardias abrieron el bolso, parecía que ya no contenía su cabeza sino que todo el bolso estaba lleno de pétalos de rosa. Una vez que regresaron a Siena, volvieron a abrir el bolso y su cabeza estaba visible nuevamente. Debido a este relato, Sana Catalina a menudo es observada sosteniendo una rosa. La cabeza incorruptible y el dedo pulgar fueron sepultados en la Basílica de Santo Domingo, donde se conservan en la actualidad. El cuerpo de Santa Catalina esta enterrado en la Basílica de Santa María sopra Minerva en Roma, que se encuentra cerca del Panteón.
Las cartas de Santa Catalina son consideradas como una de las grandes obras de principios de la literatura Toscana. Ella escribió 364, y más de 300 de ellas se conservan en la actualidad. En sus cartas dirigidas al Papa, a menudo se refería al mismo con afecto como “Papa” o “Papi” (“Babbo” en italiano). Aproximadamente un tercio de sus cartas estaban dirigidas a mujeres. Otros destinatarios incluyen a sus diversos confesores, entre ellos Raimundo de Capua, los reyes de Francia y Hungría, la Reina de Nápoles y numerosas figuras religiosas. Su otra obra magistral es el “Diálogo de la Divina Providencia,” un diálogo entre el alma y Dios. Registrado entre Registrado entre 1377 y 1378 por los miembros de su círculo. A menudo considerada como una analfabeta, Santa Catalina es reconocida por Raimundo en su biografía como capaz de leer latín e italiano, y otro hagiógrafo, Tommaso Caffarini, manifestó que la santa podía escribir. El Papa Pío II canonizó a Catalina en 1461, y el Papa Pablo VI le otorgó el título de Doctora de la Iglesia in 1970, haciéndola una de las primeras mujeres en recibir este honor.