Альфредо Каталани родился в Лукке в музыкальной семье. Свои первые уроки музыки он получил от отца-органиста. Позже учился в Музыкальном институте Лукки у Фортунато Маджи. Окончив обучение в 1872 году, Альфредо уехал в Париж, где совершенствовался в консерватории по классам фортепиано и композиции. Через год он вернулся в Италию и закончил образование в Миланской консерватории у Антонио Баццини. Дипломной работой композитора в 1875 году стала одноактная опера «Серп» на либретто Арриго Бойто.
В 1876 году музыкальный издатель Джованнина Лукка заказал Каталани крупное драматическое сочинение. Каталани начинает работу над оперой «Эльда», в основу которой была положена легенда о Лорелее. Он закончил произведение в 1877 году, но поставлено оно было лишь спустя три года в Турине при поддержке дирижера Карло Педротти и критика Джузеппе Депаниса.
Вскоре он создал еще три оперы, но публика приняла их достаточно прохладно. Он начал преподавательскую деятельность. В 1886 года он получил место профессора класса композиции в Миланской консерватории.
В 1890 году в Турине была осуществлена постановка значительно переработанной версии «Эльды», и ее успех вдохновил Каталани на создание еще одной оперы — «Валли». Издатель Рикорди, которому композитор предложил напечатать партитуру, согласился выплатить гонорар за неё по частям, а полностью отдать сумму лишь после шестидесятого представления. Несмотря на то, что на премьере в Ла Скала опера имела успех, последующие её постановки были очень редкими, так как театры отдавали предпочтение более популярным работам.
Здоровье Каталани, и без того слабое, было подорвано падением интереса к его сочинениям: конкурс на написание оперы по случаю 400-летия открытия Колумбом Америки выиграл Альберти Франкетти, кроме того, большую популярность начали набирать произведения Дж. Пуччини. После очередного обострения болезни Каталани умер, не дожив до сорока лет.