Первые сохранившиеся изображения великомученицы Екатерины относятся к VIII–IX вв., если допустить наиболее раннюю датировку живописи катакомб св. Себастьяна в Риме (VIII–XI вв.) и cвященномученика Иануария в Неаполе (VIII–XII вв.). В X–XI вв. образ Екатерины известен в рукописи Минология Василия II (976–1025 гг. – в сцене мучения) и во фресках каппадокийских храмов (Токалы-килисе (конец X в., вторая половина XI в.) в Гёреме; Чанлы-килисе в Акхисаре (конец XI в.) и др.). Изображения Екатерины в этих памятниках свидетельствуют о том, что иконографическая традиция изображения великомученицы уже сложилась к этому времени. Екатерина представлена в богато орнаментированном царском одеянии, с широким изукрашенным оплечьем, с лором и «торакием», на непокрытых волосах – венец, в правой руке, как правило, – крест. В Каппадокии, где Екатерина была весьма почитаема в том числе как целительница, она нередко изображается в восточной части храма или в нартексе. В лондонской так называемой Феодоровской Псалтири (Константинополь, 1066 г.) представлен диспут Екатерины с александрийскими философами. С XI в. образы Екатерины получают широкое распространение; с каждым столетием их число многократно увеличивалось, что во многом было связано с почитанием её мощей, обретённых на Синае, и возрастающей известностью Синайского монастыря. В монастыре великомученицы Екатерины на Синае хранится целый ряд икон с образом Екатерины, на некоторых она представлена с великомученицей Мариной (иконы XI, XIII вв.). По мнению исследователей, совместные изображения этих святых объясняются, прежде всего, их почитанием как целительниц. Екатерина и Марина представлены на обороте житийной иконы великомученика Георгия Победоносца (XIII в., Кастория, Византийский музей в Афинах). На иконе рубежа XII и XIII вв. из монастыря великомученицы Екатерины на Синае Екатерина изображена, как полагают исследователи, по минейному принципу, вместе с Григорием Акрагантским (дни памяти – 23 и 24 ноября). Образ Екатерины включался в большинство церковных декораций средневизантийского и поздневизантийского периода, если там изображались св. жёны. В монументальной живописи Екатерина также нередко изображается со св. жёнами, известными даром целительства. На мозаике нартекса кафоликона монастыря Осиос Лукас (1030 гг.) Екатерина представлена между святыми Ириной и Варварой, в царских одеждах, с крестом в правой руке и сферой с крестом в левой. Екатерина изображена в церкви Святой Софии в Охриде, Македония (1040 гг.); в церкви Богородицы Евангелистрии в Гераки (Ераки; конец XII в.); в Палатинской капелле в Палермо (1154–1166 гг.); в кафедральном соборе в Монреале (остров Сицилия; 1180–1190 гг.); в церкви великомученика Георгия в Курбинове (1191 г.); в церкви св. Луки в Которе, Черногория (1195 г.); в притворе Боянской церкви, Болгария (1259 г.); в наосе церкви святителя Николая в Молаи, Греция (конец XIII в.); в церкви Иоанна Златоуста в Гераки (конец XIII – начало XIV вв.).