Как известно, беда не приходит одна, и Екатерину ждало еще одно испытание: в жизни Генриха де Валуа появилась женщина, которую многие в течение нескольких последующих лет считали истинной правительницей Франции. Речь идет о Диане де Пуатье, фаворитке Генриха, которая была на целых 20 лет старше своего коронованного любовника. Вероятно, в силу разницы в возрасте отношения между Генрихом и Дианой были основаны скорее на разуме, чем на чувственной страсти. Генрих высоко ценил мудрость и дальновидность Дианы, и внимательно прислушивался к ее советам перед принятием важных политических решений. Обоих объединяла страсть к охоте. До нас дошло множество полотен, на которых любовники изображены в образе римской богини-охотницы Дианы и юного бога Аполлона. У забытой, всеми обманутой жены не было другого выхода, кроме как смириться со своим унижением. Превозмогая себя, Екатерина, как истинная Медичи, все же сумела наступить на горло своей гордыне и расположить к себе любовницу мужа, которую подобная дружба вполне устраивала, ибо появление другой, более плодовитой и менее дружелюбной супруги могло поставить ее положение при дворе под угрозу. Долгое время все трое формировали довольно-таки странный любовный треугольник: Диана изредка подталкивала Тенриха к ложу супруги, а Екатерина, принимая его, мучилась от ревности и собственного бессилия что-либо изменить.
Сравнение с прелестной Дианой было явно не в пользу Екатерины. Она никогда не была красавицей, а с возрастом порядком располнела, и, по выражению современников, все более походила на своего дядю. Последнее, разумеется, никак не могло быть комплиментом. Особенно отталкивающей чертой был ее чрезмерно высокий лоб. Злые языки утверждали, что между ее бровями и корнями волос вполне могло бы уместиться второе лицо. по всей вероятности, это было следствием потери волос, которое Екатерина тщательно скрывала, пользуясь париками. То, что Екатерина стоически переживала измену мужа, не значит, что она не пыталась что-либо сделать, дабы избавиться от соперницы.
До нас дошли отголоски дворцового скандала, в котором кроме Екатерины был замешан некий герцог Немур. Из писем участников этой истории известно, что, по всей видимости, Екатерина попросила герцога, улучив момент, в разгар веселья под видом милой шалости выплеснуть Диане в лицо стакан воды. То, что в стакане вместо воды должна была быть жженая известь, «шутнику» знать не полагалось. Заговор был раскрыт, а Немур – сослан, но позже помилован и возвращен ко двору. Новость о том, что Екатерина беременна, стала для всех полной неожиданностью. Чудодейственное исцеление бесплодной дофины было приписано Нострадамусу, медику и астрологу, вошедшему в тесный круг доверенных лиц Екатерины. Ее первенец, названный в честь деда Франциском, родился в 1544 году. Рождение у нее сына Франциска обрадовало весь двор, так как, наконец, рушились опасения, что Екатерина неспособна дать наследника будущему королю Франции.