Ana Catalina Gonzaga fue una noble italiana, hija del duque Guillermo Gonzaga de Mantua y de Montferrato y de la archiduquesa austriaca Leonor de Habsburgo, hija del emperador Fernando I y de Ana Jagellón de Hungría y Bohemia, hija del rey Vladislao II de Hungría. Al morir su padre heredó el ducado su hermano Vicente I Gonzaga. Ana Catalina se casó en Innsbruck el 14 de mayo de 1582 con su tío materno, el archiduque Fernando II de Austria, conde del Tirol.