Екатерина представлена на уникальной миниатюре Новгородского Евангелия Тошинича конца XII – начала XIII вв. (Российская национальная библиотека; изображение Екатерины вместе с целителем великомучеником Пантелеимоном, по мнению исследователей, может быть связано с почитанием святой как целительницы или объясняться особенностями заказа). Большое число ранних русских изображений Екатерины может свидетельствовать о значительном влиянии, которое оказали на развитие её почитания культурные связи Руси с Византией, Синаем и Западной Европой. Среди избранных святых, часто рядом с другими жёнами-великомученицами, Екатерина представлена на иконах: на поле иконы «Богоматерь Владимирская» (XV в., Москва, Сергиево-Посадский музей-заповедник); «Святитель Никола Чудотворец, преподобный Сергий Радонежский и великомученица Екатерина» (конец XV – начало XVI вв., Средняя Русь (Ростов?), частное собрание; «Избранные святые» (XVI в., Каргополь, Русский музей); «Святитель Николай, с Троицей Ветхозаветной, явлением Богоматери преподобному Сергию Радонежскому и избранными святыми» (первая половина XVI в., вологодские земли, Музей Андрея Рублёва); «Сошествие во ад, с избранными святыми» (конец XV в., Псков, Русский музей); «Никола Зарайский, с Деисусом и избранными святыми» (XVI в., Архангельский музей); среди святых – в иконах «Деисус» (конец XVI – XVII вв., северные письма, Государственный Эрмитаж) и «Великомученица Екатерина, апостол Иаков, брат Господень, преподобная Мария Египетская» (конец XVI – начало XVII вв., Великий Новгород, Третьяковская галерея). В большинстве случаев Екатерина представлена как царственная мученица в роскошных одеждах и венце, иногда – как дева с распущенными волосами и без короны. В более поздних памятниках над нимбом Екатерины иногда изображают мученический венец, который на неё возлагают ангелы. Святая представлена в группе праведных жён в композициях «О Тебе радуется», «Суббота всех святых», «Страшный Суд». Развитие почитания Екатерины в XV–XVI вв., которое выразилось в увеличении числа изображений святой как на отдельных иконах, так и в составе избранных святых, в том числе в минейных циклах, по мнению исследователей, было определено рядом факторов. Одна из причин – интенсивность контактов с монастырём великомученицы Екатерины на Синае; в конце XV – начале XVI вв. в Москву были перенесены частицы мощей святой. По сведениям, выявленным В.А. Меняйло, крест с мощами Екатерины был вложен в Архангельский собор Московского Кремля Иваном IV Грозным; несколько мощевиков с частицами мощей хранились в Благовещенском соборе. Особо почиталась Екатерина в семье московских великих князей, т.к. являлась небесной покровительницей матери жены Ивана III, Софии Палеолог. Известно, что складень с мощами Екатерины был выполнен по заказу Ивана III перед его походом на Великий Новгород (1471 г.).