Napoletana di nascita e romana d'adozione, Caterina Di Tonno intraprende giovanissima lo studio del pianoforte e del violino, diplomandosi poi in Canto sotto la guida di Maria Luisa Carboni al Conservatorio di Pescara con il massimo dei voti e muovendo i primi passi nella musica in duo con il fratello Jacopo, violoncellista.
Tra gli impegni più rappresentativi si segnala la partecipazione alla trilogia Mozart/Da Ponte allestita a partire dal 2011 dal Teatro La Fenice di Venezia e più volte ripresa negli anni successivi, con regia di Damiano Michieletto e direzione di Antonello Manacorda, nei tre ruoli di Zerlina nel Don Giovanni, Susanna ne Le nozze di Figaro e Despina nel Così fan tutte, ai quali è seguita Papagena nel Flauto magico nel 2015.

Nel 2010 ha partecipato nel ruolo di Giovanna al Rigoletto a Mantova televisivo di Marco Bellocchio con Placido Domingo e la direzione di Zubin Mehta, sotto la cui bacchetta ha interpretato anche la Sacerdotessa in Aida al Maggio Musicale Fiorentino nel 2011.

Molto intensa anche la sua attività concertistica nel campo della musica barocca, da camera e sinfonica, tra cui le musiche per il Sogno di una notte di mezz'estate di Mendelssohn (a Napoli con la direzione di Jeffrey Tate e a Milano con Antonello Manacorda), Magnificat di Bach (Festival MiTo, diretto da Manacorda), Stabat mater di Rossini (Lebanese Philharmonic Orchestra a Beirut), musiche per Egmont di Beethoven (Pomeriggi Musicali), Des Heilands letzte Stunden di Spohr (Coro e Orchestra dell'Opera di Roma), Le ultime sette parole di Mercadante (Coro e Orchestra del San Carlo di Napoli) e, i Requiem di Mozart e Donizetti, con la Lebanese Philharmonic Orchestra.

La sua forte vocazione all'insegnamento la porta ad insegnare con regolarità presso l'Universitè Antonine di Beirut (Libano) e a tenere Masterclass sia in Italia che all'estero al fianco di pianisti di fama internazionale (Fabio Centanni, Denis Dubois), oppure accompagnando lei stessa al pianoforte gli allievi.

Tra gli altri ruoli Adina ne L'elisir d'amore (Mantova, 2006), Nannetta nel Falstaff (Circuito Lombardo, 2008), Berta ne Il barbiere di Siviglia (Napoli, 2008), Berenice ne L'occasione fa il ladro (Lugo, 2009), Serpina ne La serva padrona (Treviso, 2010), Olimpia ne La fuga in maschera di Spontini (Festival Jesi e Napoli, 2012-13), Clorinda in Cenerentola (San Carlo di Napoli, 2014), Valenciennes ne La vedova allegra (Cagliari, 2015). La grotta di Trofonio di Paisiello al Festival della Valle d'Itria e al San Carlo di Napoli.

E' poi in Spagna ( Valencia 2016) come Giannetta nell' Elisir d'amore di Michieletto, Clorinda ne La Cenerentola di Rossini a Düsseldorf (Deutsche Oper am Rhein, 2018) al Teatro de la Monnaie di Bruxelles canta nella trilogia Mozart/Da Ponte , in un allestimento di Clerarc- Delaueil.

Sui grandi schermi in una produzione cinematografica è stata Nella in 'Gianni Schicchi, il film' diretto da D. Michieletto per la conduzione di Stefano Montanari.
Nel 2021 e '22 è stata ospite del Festival Donizetti di Bergamo, con la Medea di Majr e nella Favorite, spettacolo vincitore del Premio Abbiati. L'estate 2023 l'ha vista impegnata nelle riprese del film The Opera, diretto da Davide Livermoore.