1519年4月13日、イタリアのフィレンツェ?でウルビーノ公爵ロレンツォ2世・デ・メディチ（1492年 - 1519年、メディチ家のイル・マニフィコの孫に当たる）と、フランス王族のマドレーヌ・ド・ラ・トゥール・ドーヴェルニュの間に生まれた。彼女を出産してすぐに母が死去し、間もなく父も亡くなって孤児となった。

1533年、ローマ教皇クレメンス7世とフランス王フランソワ1世の間で、フランスの第2王子オルレアン公アンリ・ド・ヴァロワ（のちのアンリ2世）との縁組交渉がまとまり、アンリ、カトリーヌともに14歳のとき、結婚した。

結婚後はアンリの20歳年上の愛人ディアーヌ・ド・ポワティエの存在に悩まされたり、銀行家の娘として中傷を浴びたことに苦しんだが、急速にフランス人とその王宮に同化して行った。アンリ2世の兄フランソワ王子の毒殺事件では黒幕として疑われたが、フランソワ1世の取りなしによって命拾いしている。

1544年に長子フランソワが誕生、その後、彼女は9人の子宝にめぐまれたが、3人は成人前に死亡している。子どもが生まれてからのカトリーヌは徐々に王太子妃としての風格が備わっていった。

夫アンリは1547年に王位を即位し、アンリ2世となった。当時のカトリーヌはあまり政治には関与せず、また、夫アンリとその愛人の関係には悩みながらも、フランス王となった夫を支えていった。

1559年、カトー・カンブレジ条約が結ばれ、その和平の象徴として、アンリ2世の妹マルグリットとサヴォイア公エマヌエーレ・フィリベルト、アンリ2世とカトリーヌの娘エリザベートとスペイン王フェリペ2世が、それぞれ結婚することが定められた。フェリペ2世にとっては、イギリスのメアリ1世?（「ブラッディ・メアリ」）没後の妻となった。

同年、カトリーヌが制止したにもかかわらず、その婚儀の祝宴の一環で行われたモンゴメリ伯ガブリエル（ガブリエル・ド・ロルジュ）との馬上槍試合において、アンリ2世は偶発的に右目を貫かれ、それがもとで40歳で死去した。このことは彼女に衝撃を与え、それ以来、カトリーヌは生涯にわたって喪服を着用している。この不慮の事故によってカトリーヌは、摂政として政治の表舞台に立ち、その政治手腕が発揮される事となった。彼女は、おそらくマキャヴェッリの「君主論」を読んでいたとされる。

なお、夫とは冷え切った関係であったカトリーヌであったが、夫を死に追いやったモンゴメリ伯を許そうとはしなかった。臨終間際のアンリ2世がモンゴメリ伯の過失を許したにもかかわらず、イングランドに追放。さらに1574年には捕虜となったモンゴメリ伯を斬首させている。

12年間をフランス王妃として過ごしたカトリーヌは、フランス王フランソワ2世の母后となった。即位当時のフランソワ2世はわずか14歳で、若き王の威光は、拡大するプロテスタント勢力に歯止めをかけようと企図するカトリック勢力によって利用されることとなった。カトリックの大貴族であるギーズ公フランソワと、弟のロレーヌ枢機卿が、外戚として国王フランソワを意のままに動かそうとしたため、カトリーヌは、彼らのプロテスタントに対する強硬策を緩和するため、しだいに国政へかかわるようになっていった。

1560年にフランソワ2世が世を去り、弟のシャルル9世が11歳でフランス王となった。カトリーヌ・ド・メディシスは、未成年の王が成人するまでの3年間摂政をつとめた。しかしその後もシャルル9世がみずから国政をとることはなかった。カトリーヌは公文書にかならず自分の紋章を押印し、これにより王の権威はしだいに弱まっていった。

1560年には、異端の罪を犯した異教徒に対し、改宗宣言をすれば恩赦を与えるとの勅令を発布しており、翌1561年には、カトリーヌとミシェル・ド・ロピタルの尽力により、ポワシーで新旧両派の会談がもうけられたが、和解の望みなく論争に終わっている（ポワシーの会談?）。

1562年には、一月勅令（サン・ジェルマン勅令）を発布し、一部の地方でプロテスタントの信仰を認めたが、それに不満なギーズ公フランソワの陰謀で、数十人のプロテスタントがシャンパーニュ地方のヴァシーで虐殺される事件が起こった（ヴァシーの虐殺）。これにより、コンデ公はプロテスタント軍を結成し、フランス国内は内戦の泥沼へと突き進んでいった。

カトリーヌは、宗教戦争が激化するなかで、弱体化する王権を維持しようとたえず努めた。息子のシャルル9世がフランス王としての成人年齢である13歳に達するや、王国全土の臣下に会わせるため、国王シャルルをともなってフランス一周旅行に出ている。1564年から1566年にかけて、シャルルは地方議会の訪問などを通し、国王としてのつとめを学んだ。カトリーヌはこの旅行を機に、依然として脆弱な地方と国王のつながりの強化をはかった。

カトリーヌはマキァヴェリの影響を受けた、質の高い政治技術をもフランスに持ち込んだ。彼女は秘密主義で謎が多く、計算高い面も多かったが、それでも母后としての責務を果たそうと努力していたことは疑いないことである。

国内でカルヴァンの影響を受けた改革派（新教徒）とカトリック教徒の争いが激しくなり、ヴァシーの虐殺を機に宗教戦争（ユグノー戦争）が起こると、はじめのうちカトリーヌは改革派との融和・妥協をはかり、カトリック側から不満が起こった。カトリーヌは、新旧両派の和解を期待して、自身の娘でフランス王女マルグリット・ド・ヴァロワとユグノー派の最有力貴族でナヴァル王太子アンリ・ド・ブルボン（のちのアンリ4世）の縁組をすすめた。

1572年8月18日月曜日におこなわれた結婚式当日、新郎アンリはパリのノートルダム大聖堂へ入ることを拒否し、新婦マルグリットは唯ひとりでミサに参加した。結局、結婚式は大聖堂の前の広場で挙行された。これは、カトリック極右派の怒りをかうこととなり、同8月22日、プロテスタント派の重鎮で国王シャルル9世の信任厚いガスパール・ド・コリニーが、間一髪で暗殺の手をのがれるという事件が起きた。これにより、小康状態にあった新旧両派の関係は、一気に緊張の度合いを増し、数百人のプロテスタントは、国王シャルルに詰め寄り、裁判を要求した。

コリニー提督暗殺未遂事件のあった日の夜、王宮では、王と母后カトリーヌ、数名の側近によって秘密会議がひらかれた。意志薄弱で優柔不断な王に対し、母の発言は大きな影響力をもった。初期は寛容の精神に基づく新旧両派協調の実現を目ざしたカトリーヌであったが、ギーズ公を筆頭とするカトリックが寛容策に不満をつのらせ、これを機にプロテスタント勢力を一掃しようとしていた。ここに至って、王とカトリーヌは、新教徒幹部の一部を逮捕し、みせしめのために殺害しようとしたものらしい。とくに、ユグノーからの報復を恐れたシャルル9世は、アンリの婚儀のためパリに集まっていたユグノーの殺戮を計画した。

1572年8月23日夜からサン・バルテルミの祝日である翌24日にかけて、ギーズ公アンリの兵が改革派の貴族たちを襲った。24日早朝には、教会の鐘の音を合図にコリニーら新教徒貴族200人以上を殺害した。暗殺未遂事件で負った傷を治療していたコリニー提督は、その日の最初に襲われ、腹を裂かれ生きたまま窓から放り出された。暴徒と化した民衆はプロテスタントの大虐殺に走り、何千人にものぼる犠牲者の叫び声でパリ中が埋め尽くされた。女性・子どもはのどをかき切られ、セーヌ川は死骸で埋まった。

政治的計略に端を発したこの事件は、たちまちのうちに王国全土に波及し、2日間のうちに、パリの2,000人をふくむ5.000人以上のプロテスタントが虐殺された。アンリ・ド・ナヴァルは捕らえられ、カトリックへの改宗を強制されたが、彼が殺害を免れたのはこの改宗のおかげでもある。

サン・バルテルミの虐殺によって、フランスの内乱は泥沼化の様相を呈した。この年アンリ・ド・ナヴァルの母でプロテスタントのナヴァル王女ジャンヌ・ダルブレが急死したが、これも暗殺との疑いが持たれている。

1573年7月11日、母后カトリーヌの助言を受けたシャルル9世は、すべてのプロテスタントに信仰の自由を認め、ラ・ロシェル、モントーバン、ニームにかぎって、礼拝の自由を認めるという内容のブーローニュの勅令?を発した。宗教戦争は一時的におさまったが、前年のサン・バルテルミの虐殺で決定的となった新旧両派の溝を埋めることはできなかった。この案は逆にカトリックの怒りをあおる結果となってしまい、やがて両派はそれぞれ正式に軍隊を編成し、権威を失った王国は、新旧勢力のはてしない戦争へと突入していくこととなった。

1574年、最も愛した3番目の息子アンリ3世が即位した。政敵たちは、子どもたちにかわって実権を握りつづけるカトリーヌを失脚させようと画策した。カトリーヌはアンリ3世が暗殺された年と同じ1589年、ブロワ城で息をひきとった。

サン・バルテルミの虐殺以来、カトリーヌ・ド・メディシスの評判は失墜し、彼女はこの悲惨な事件の首謀者として追及された。カトリーヌに敵対する者たちは、彼女の寛容な政策が、結果的にこの事件をひきおこしたのだとして弾劾した。国民のなかにはフランスを襲う不幸のすべての元凶は彼女だと考える者も少なくなかった。それは彼女が「外国人」であったことが、大きく関係している。

彼女の死去に際しても「ヤギが死ぬこと以上の事件ではない」と言われるほどであり、1675年、『カトリーヌ・ド・メディシスの生涯、行為、放逸にかんする驚くべき話』が出版されてからは、毒盛り女というイメージが決定的に浸透してしまった。このイメージは、フランス正史においても支配的となった。アレクサンドル・デュマの文芸大作『王妃マルゴ』（1845年）では、彼女の一族は、代々狂信的な犯罪者として描かれている。

存命中より「毒盛り女」という風評があり、政治面では悪評の絶えなかったカトリーヌであるが、彼女の個性は、美術、文化の領域でいかんなく発揮され、宮殿の造営に力を注ぎ、王権の高揚のため宴と祭りを頻繁に開催した。また、絵画や美術品の収集に専念し、歌謡、音楽、演劇を一つにしたバレエを創作して後のオペラの起源とした。

彼女が大勢の侍従をともなってフランス王家に嫁いだことによって、イタリア式の豪華で先進的な文化をフランスにもたらした。メディチ家出身の彼女は、一族がフィレンツェで築いたものをそおままパリやロワール渓谷にもちこんだ。ブロワ城やアンボワーズ城、ルーブル宮やチュイルリー宮には、イタリア風の特色が強くあらわれている。通俗的には、フォークやアイスクリーム、シュークリームをフランスに伝えたのはカトリーヌだといわれている。

第一次イタリア戦争の頃から、王宮ではイタリア式の社交術が流行しはじめ、これは17世紀のマザランの時代まで続いた。さまざまな分野でイタリア人技術者が活躍し、その影響は食から語彙にまでおよんだ。その結果、フランスでもマカロニを食べるようになり、フランス語はバルコニー、ファサード、セレナーデ、コンサート、バレエなどのイタリア語の語彙をとりいれて、ますます豊かになった。これらは、いずれもカトリーヌのみの力によるものでもカトリーヌが直接もたらしたものでもないが、イタリア・ルネサンス文化の移入を通してフランス宮廷文化の発展に寄与した彼女の功績は大きい。

知性と教養と政治力にあふれた彼女の資質は、現存の膨大な『書簡集』にあまねく残されており、そこには秀でた文章の資質を読み取ることができる。

なお、占星術などをひじょうに好んでいたことでも知られており、特にルーカ・ガウリコ、ノストラダムス（ミシェル・ド・ノートルダム）、コジモ・ルッジェーリなどの占星術師を重用した。カトリーヌが死の直前まで自らの死に関する予言を気にしていたとされる逸話は、彼女の占いへの傾倒を端的に示すものといえる。

カトリーヌがノストラダムス（一説にはルッジェーリ）から「3人の息子が王位につくが、3人とも王子を残さずに死に、そのあとで王朝の交替がおこって、アンリ・ド・ナヴァルが王位に就くであろう」という内容の予言を受けたために、なんとかこれを回避しようと努めて行動したことは事実のようである。

• ユグノー戦争
• サン・バルテルミの虐殺
• 王后のバレエ・コミーク座

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