Nata a Magreta (Modena) nel 1946 e cresciuta a Sassuolo, debutta come bassista in alcuni complessi locali, e a 17 anni partecipa al Festival di Castrocaro, dove viene notata dal discografico Alberto Carisch e scritturata per l’etichetta MRC, per la quale debutta discograficamente con il 45 giri “Sciocca” / “Ti telefono tutte le sere” (1964) L'anno successivo, dopo aver firmato per la CGD, partecipa al Cantagiro con “Sono qui con voi”, versione italiana di “Baby please don't go” dei Them. Nel 1966 partecipa al Festival di Sanremo con “Nessuno mi può giudicare”, che ottiene grande successo e rende popolarissima la cantante, ribattezzata “Casco d’oro” per la pettinatura a caschetto creata per lei dai Vergottini. Nel 1966 vince il Festivalbar con “Perdono”; nello stesso anno esce il suo album di debutto, CASCO D'ORO. Nel 1967 torna al Festival di Sanremo presentando in doppia esecuzione con Sonny & Cher “Il cammino di ogni speranza”, che non riesce ad entrare in finale; quello stesso anno pubblica con successo il 45 giri “Sono bugiarda”, cover di “I'm a believer” dei Monkees. Nel 1967 pubblica l’album Diamoci del tu che ha lo stesso titolo del programma televisivo a puntate condotto da Caterina Caselli con Giorgio Gaber fra marzo e aprile di quell’anno, e contiene fra l’altro alcuni brani scritti da Francesco Guccini (“Dio è morto”, “Per fare un uomo”, “Incubo N° 4” e “Le biciclette bianche”). Nel 1968 pubblica parecchi singoli: “Il volto della vita”, cover di “The days of Pearly Spencer”, con cui vince il Cantagiro, “L’orologio”, “Insieme a te non ci sto più” di Paolo Conte e “Il carnevale”. Nel 1969 torna a Sanremo con “Il gioco dell'amore”, nel 1970 ancora al Festival presenta “Re di cuori” e al Disco per l’Estate “Spero di svegliarmi presto”. Nel 1970, dopo il matrimonio con il discografico Piero Sugar, inizia a diradare l’attività di cantante (pubblica intanto l’album CATERINA CASELLI); partecipa comunque al Sanremo del 1971 con “Ninna nanna (Cuore mio)”, e nello stesso anno pubblica il 45 giri “La casa degli angeli” (cover di “I am, I said” di Neil Diamond). Nel 1972 pubblica l’album CATERINA CASELLI, quasi interamente composto da cover. Partecipa alla Mostra Internazionale di Musica Leggera di Venezia con “Le ali della gioventù” e a Canzonissima con “E' domenica mattina”. Nel 1973 partecipa al Festivalbar con “Un sogno tutto mio”, nell’estate del 1974 pubblica “Momenti sì momenti no”, “Desiderare” e l’album PRIMAVERA; nel 1975 chiude ufficialmente la sua attività di cantante con “Seguila” e l’album UNA GRANDE EMOZIONE. Da allora in avanti si dedica all’attività di produttore discografico e talent scout; torna a cantare occasionalmente nel 1978 in duetto con Pierangelo Bertoli (“L'Erminia teimp adree”); nel 1980 nei cori dell’album “Ricetta di donna” di Ornella Vanoni; nel 1983 nel coro di “Amico è” di Dario Baldan Bembo e in duetto con Rettore in “Little drummer boy / Peace on earth”, inclusa nell’album “Natale con i tuoi”; nel 1984 in duetto con Sergio Caputo in “Vado alle Hawaii. Nel 1990 partecipa al Festival di Sanremo con “Bisognerebbe non pensare che a te”, inclusa nell’album AMADA MIA (che contiene riletture di successi e alcuni inediti, fra cui “Come mi vuoi” di Paolo Conte e “E se questa fosse l’ultima” di Lucio Quarantotto). Nel 2005 ricanta “Insieme a te non ci sto più” per una versione intitolata “Arrivederci amore ciao” inclusa nella colonna sonora dell’omonimo film di Michele Soavi.