Катенин получил домашнее образование и в 1806 году начал службу в департаменте народного просвещения в звании юнкера. Через два года он стал титулярным советником. В 1808 и 1809 годах посещал салон А. Н. Оленина, где познакомился с К. Н. Батюшковым, Н. И. Гнедичем и А. А. Шаховским, а также участвовал в любительских спектаклях.

С 1810 года Катенин служил в лейб-гвардии Преображенском полку в звании портупей-прапорщика. Он принимал участие в Отечественной войне 1812 года и заграничных походах, а в 1818 году получил звание полковника.

С конца 1816 года Катенин стал членом декабристского Союза спасения и одним из руководителей тайной организации Военное общество. В 1820 году его отстранили от службы по политическим причинам и уволили в отставку в чине полковника. В 1822 году, после скандала на театральном спектакле, по распоряжению императора его выслали из Санкт-Петербурга. Он провёл три года в усадьбе Шаево в Костромской губернии. В 1833 году Катенин вернулся в армию и до 1838 года служил на Кавказе, после чего ушёл в отставку в звании генерал-майора и жил в своей деревне в Костромской губернии.

Катенин был похоронен в селе Бореево Чухломского уезда, а в 1955 году его прах перенесли в Чухлому.

Его литературная деятельность началась перед Отечественной войной 1812 года с публикации в журнале «Цветник» в 1810 году. Он переводил произведения Биона, Гесснера, Вергилия, Гёте, Ф. Шиллера, Ариосто и другие. В 1811 году была поставлена переработанная им трагедия Тома Корнеля «Ариадна». Катенин возглавил одно из течений декабристского романтизма, а его баллады, такие как «Наташа», «Убийца», «Леший» и «Ольга», вызвали полемику из-за их отличия от поэзии карамзинистов и В. А. Жуковского. Его ориентация на русский быт и просторечие сближала его с А. С. Шишковым и была связана с декабристской идеей народности в литературе.

Катенин был близким литературным союзником А. С. Грибоедова и В. К. Кюхельбекера. Комедия «Студент» (1817) считается совместным творчеством Грибоедова и Катенина, хотя его участие, возможно, ограничивалось редактурой. В 1810-1820-е годы он активно писал для театра, перерабатывая произведения Ж. Расина, П. Корнеля и других французских драматургов. Единственная оригинальная трагедия Катенина «Андромаха» была поставлена в 1827 году. Он также был театральным педагогом, среди его учеников был В. А. Каратыгин. Катенин был постоянным автором «Литературной газеты», а его воспоминания о Пушкине были опубликованы в 1934 году.