При отсутствии сопроводительных надписей образ Екатерины исследователи определяют по особенностям иконографии: роспись XII в. храма Богородицы на Акрополе (древний Парфенон) в Афинах, в наосе пещерной церкви Иоанна Предтечи близ Хрисафы, Греция (1290/1291 г.), в церкви Иоанна Предтечи в Зупене (Айи-Анарьири), Греция (конец XIII в.). Иконописные изображения Екатерины во многих случаях связаны по происхождению с монастырём великомученицы Екатерины на Синае: ранняя житийная икона – «Великомученица Екатерина с 12 клеймами Жития» (начало XIII в.); с великомученицей Мариной Александрийской Екатерина представлена, например, на иконе XI в.; среди избранных святых – на иконе «Распятие» (около 1100 г.); на нижнем поле диптиха «Великомученик Прокопий. Богоматерь “Киккская”» (последняя четверть XIII в.; все находятся в монастыре великомученицы Екатерины на Синае). Образ Екатерины включали в состав минологиев. В мучении она представлена в минейном цикле из шести икон второй половины XI – начала XII вв. (монастырь великомученицы Екатерины на Синае); в церкви Вознесения монастыря Дечаны, Косово и Метохия (около 1348 г.); под 24 ноября – в церкви Святой Троицы монастыря Козия, Румыния (1386–1390 гг.). В палеологовское время в соответствии с новыми стилевыми тенденциями облачение Екатерины приобрело особенную роскошь: церкви Вознесения в Веррии (около 1315 г.), св. Николая Орфаноса в Фессалонике (около 1320 г.). По моде того времени её волосы были уложены под сетчатым головным убором, в ушах – продолговатые висячие серьги (двойные или тройные), на голове – высокая корона (икона XIV в. из монастыря великомученицы Екатерины на Синае). Иногда Екатерину представляли с распущенными волосами: фреска из церкви Панагии Гуверниотиссы на острове Крит (XIV в.); предположительно на двусторонней иконе «Святая Екатерина и святые Зосима и Мария Египетская» (вторая половина XIV в., Византийский музей в Афинах). В поствизантийское время облик Екатерины с волосами, уложенными под сетчатый головной убор (обычно красного или синего цвета), и длинными серьгами был более распространён: в церкви Введения Пресвятой Богородицы во храм в Склаверохори на острове Крит (критские мастера, XV в.); на иконах из монастыря великомученицы Екатерины на Синае: «Богоматерь Одигитрия с избранными святыми» (мастерская Андреаса Рицоса (?), вторая половина XV в.) и «Преподобный Антоний Великий с поясными изображениями святых» (мастер священник Димитрий, конец XV – начало XVI вв.); на иконе «Великомученица Екатерина» (конец XV – начало XVI вв., монастырь Симонопетра на Афоне) Екатерина представлена с восьмиконечным крестом на длинном древке в правой руке; на иконах из монастыря апостола Иоанна Богослова на Патмосе «Богоматерь и великомученица Екатерина» (мастер Ангелос, около 1600 г.) и «Великомученица Екатерина» (XVII в.).