Но дарование и мастерство Катулла ярче всего выразились в его стихах, обращенных к Лесбии.
Стихотворения, обращенные к Лесбии, и те, в которых говорится о ней, можно разделить на три группы: счастливая любовь; размолвки и огорчения; окончательный разрыв. Следуя такой схеме, можно считать начальным стихотворение LI, а последним — XI. Хотя доказать это, строго говоря, нельзя, но такое предположение подтверждается не только содержанием этих стихов, а и очень существенным для античной поэтики внешним признаком: оба стихотворения написаны одним и тем же стихотворным размером — малой сапфической строфой, ни в каких других стихах Катуллом не применявшейся. Основываться же на последовательности стихотворений Катулла по дошедшему до нас сборнику совершенно невозможно, так как они распределены в нем по чисто формальным признакам и никакого отношения к хронологии не имеют.
Представим же себе начало увлечения Катулла Лесбией так, что он еще не уверен в успехе и даже не решается говорить о своей любви собственными стихами: он передает Лесбии свой вольный перевод оды Сафо, надеясь, что римская красавица прекрасно поймет, в чем тут дело. Счастливая любовь Катулла выражена в дальнейшем в двух стихотворениях, обращенных опять-таки не прямо к Лесбии, а к ее ручной птичке (II и III), а также в стихах, в которых Лесбия прославляется как совершенная красавица, в противоположность двум другим римлянкам — Амеане и Квинтии (XLIII и LXXXVI). Дальнейшее же развитие счастливого романа видно по стихотворениям V, VII, LXXXIII, ХСII. Что Катулл со всею страстью влюбился в Лесбию, в этом не может быть никаких сомнений; но для Лесбии, которая, несомненно, тоже увлеклась Катуллом, это увлечение было скорее мимолетным эпизодом, а не проявлением глубокого чувства. Начались размолвки и обиды, Катулл ревнует Лесбию, грозит ее бросить (VIII), но стоит ей показать ему, как он ей дорог, как он снова возвращается к своей возлюбленной и считает себя счастливее всех людей на свете (CVII) и молит богов, чтобы Лесбия не изменила своему слову (СIХ). Но нежная и глубокая любовь Катулла мало удовлетворяла римскую красавицу, окруженную поклонниками, и поэту приходится убедиться в том, что она ищет совсем другого. Это видно по стихотворению LVIII, проникнутому мучительной тоской и возмущением, а смятенное чувство поэта выражено в самом движении этого стихотворения. И вот Катулл решает окончательно разорвать с Лесбией. Он не может унять своей любви, что лучше всего видно по знаменитому двустишию — Odi et amo (LXXXV), но никакие попытки Лесбии вернуть себе Катулла, никакие ее обещания на него не действуют, и он заканчивает свой цикл стихов к Лесбии стихотворением, полным глубокого горького чувства (XI).