Baptisée à Paris le 12 novembre 1630, Catherine Duchemin est la fille d’un peintre décorateur bien établi, Jacques Duchemin, et de son épouse, Marie Hubault. Elle doit avoir reçu ses premiers enseignements artistiques auprès de son père, puis pourrait être devenue l’élève de Nicolas Baudesson (1611-1680), un Troyen spécialiste de la représentation des fleurs. Pendant ses années d’activité, elle-même ne semble avoir peint que des compositions florales. La hiérarchie des genres n’ayant pas encore été théorisée en France, les natures mortes ne sont alors pas considérées avec mépris, mais au contraire collectionnées par des amateurs particulièrement éclairés. D’autres femmes artistes, à l’image de Louise Moillon (vers 1609-vers 1696), de vingt ans plus âgée, choisissent de s’y consacrer.

Peu de temps avant son vingt-septième anniversaire, le 23 octobre 1657, C. Duchemin épouse un jeune sculpteur tout juste admis à l’Académie royale de peinture et de sculpture, François Girardon (1628-1715), ; elle donne naissance à quatre enfants dans les quatre années qui suivent, puis à six autres entre 1664 et 1673. Entre ces deux périodes, l’artiste devient la première femme à rejoindre l’Académie royale de peinture et de sculpture, le 14 avril 1663. Sa réception, comme celle des académiciennes qui lui succéderont, telles Madeleine de Boullogne (1646-1710) et sa sœur Geneviève de Boullogne (1645-1708) en 1669 ou Élisabeth-Sophie Chéron (1648-1711) en 1672, suit toutefois des modalités différentes de celle des hommes : l’impétrante n’est pas autorisée à présenter ses œuvres en personne et se voit admettre directement, sans passer par l’étape de l’agrément. Elle ne participe ensuite ni aux débats ni aux activités d’enseignement organisées par l’institution. Protégée, comme son époux, par Charles Le Brun (1619-1690), C. Duchemin offre cependant à l’Académie l’un de ses tableaux, un moyen format représentant un « panier plein de fleurs sur un piédestal », aujourd’hui perdu.

Sans doute en raison des nombreuses naissances et de la carrière florissante de son époux, C. Duchemin semble avoir peu à peu ralenti, sinon interrompu, son activité de peintre. Les archives révèlent la présence de ses œuvres chez elle – six tableaux de fleurs mentionnés parmi les biens de sa famille en 1716, dont l’un représentant des œillets – ou chez des proches, tel le célèbre homme de lettres Charles Perrault en 1672 (toutes perdues). Aucune toile ne peut aujourd’hui lui être attribuée avec certitude, mais elle semble avoir peint elle-même les fleurs représentées sur son portrait la montrant au travail à son chevalet, qui paraît mentionné dans l’inventaire des collections familiales, en 1716, comme de la main de C. Le Brun. L’examen scientifique du tableau lors de son acquisition par le château de Versailles en 2022 a en effet révélé que le bouquet, le vase et la table sur laquelle ils reposent avaient été peints après le chevalet et la robe du modèle, suggérant une intervention distincte.

C. Duchemin meurt le 21 septembre 1698 à Paris, aux galeries du Louvre, où elle avait emménagé avec son époux vingt-deux ans auparavant. Elle est inhumée deux jours plus tard à l’église Saint-Landry, où F. Girardon fait élever pour eux deux un spectaculaire monument, remonté depuis 1817 à l’église Sainte-Marguerite, dans le 11^e arrondissement. En 1700, son premier biographe, Florent Le Comte, souligne à quel point elle « excellait à peindre les fleurs », si bien qu’« à l’odorat près, tout y était trompé ».