A diciotto anni segue a Roma, lo zio, Feliciano Scarpellini, docente di fisica all’ Università la Sapienza di Roma per assisterlo nella conduzione dell’Osservatorio astronomico che si andava allestendo nel Palazzo senatorio in Campidoglio, grazie alla dotazione di strumenti di sua proprietà. 

Esclusa a causa del suo sesso dall’Università, fu lo zio a impartirle un’educazione informale nel campo dell’astronomia e ad addestrarla all’uso degli strumenti astronomici, insieme agli studenti ordinari di ottica e di astronomia della Sapienza. 

In possesso di un’ottima conoscenza del sistema solare e delle costellazioni, unita ad un’eccellente preparazione tecnica, il compito di Caterina consiste principalmente nella raccolta di dati di osservazione e di misurazione di variabili fisiche nel campo della meteorologia e dell’astronomia. 

Da questo momento inizia ad aver relazioni con gli uomini più dotti del tempo e qui conosce e sposa Erasmo Fabri, assistente dello zio, che dopo il matrimonio assunse il suo cognome e con il quale lavorerà alla stazione astronomica anche dopo la sua morte sotto la direzione di Ignazio Calandrelli.

A causa dell’esclusione delle donne dai pubblici impieghi, ella non poté però proseguire nelle sue fino ad allora consuete mansioni, se non all’ombra del marito, nominato «custode della collezione di macchine, strumenti fisici, astronomici ed altro». In realtà già all’indomani della morte di Feliciano, Caterina, di fatto se non di diritto, condivise in tutto e per tutto le mansioni del marito per conto dei direttori che si avvicendarono alla guida dell’osservatorio, in una posizione ufficiosa che le permetteva comunque di curare da vicino quello che considerava soprattutto un bene di famiglia. Tale atteggiamento trovò resistenze nel clima politico del Risorgimento, soprattutto nell’ultimo decennio precedente l’annessione di Roma allo Stato italiano nel 1870. 

Con una solida formazione e profonda conoscitrice del sistema solare si occupò del rilevamento dei fenomeni metereologici e astronomici. Allo scopo di divulgare i suoi studi, fondò con il marito, nel 1847, la rivista La Corrispondenza scientifica in Roma e il Bullettino Universale che riceveva le comunicazioni dei vari scienziati italiani e internazionali puntando all’aggiornamento e al coordinamento delle attività di ricerca. 

Nel 1854 scoprì, per la prima volta, una cometa. Nel 1856 istituì la Stazione ozonometrica meteorologica in Campidoglio, la prima in Italia a fornire osservazioni idrotermiche sul Tevere, che venne denominata “Stazione meteorologica Scarpellini”. Scrisse molti opuscoli scientifici, tra i quali quelli sulla meteorologia agricola, sull’esistenza dell’ozono. Dalle misurazioni del livello dell’ozono dedusse una relazione inversamente proporzionale tra la concentrazione di ozono nell’aria e la diffusione dell’epidemia di colera a Roma nel 1867. In tale contesto anche il noto astronomo gesuita Angelo Secchi (1818-1878) venne accusato di connivenza con i nemici dello Stato Pontificio. Ciò influì su Caterina, che decise di pubblicare in forma anonima sul «Bullettino nautico e geografico» due articoli contenenti alcune sue osservazioni. 

Scrisse sull’influsso lunare sui terremoti, sull’eclisse solare del 18 luglio 1860, sulla grande cometa del 30 giugno 1861, sull’eclissi totale di luna del 1° luglio 1863, sulla pioggia di sabbia caduta in Roma nel 1864 confrontata con la sabbia del deserto del Sahara, sulla pioggia di stelle cadenti nel 1866, sull’epidemia di vaiolo a Roma tra il 1871 e il 1872 e sui rapporti tra questa malattia e l’ozono atmosferico. Compilò un catalogo degli uranatmi, ossia sulle stelle cadenti.

Fu eletta membro della Società dei Georgofili di Firenze e dell’Accademia dei Quiriti a Roma, così come dell’Accademia di storia naturale di Dresda nonché della Società imperiale dei naturalisti di Mosca; non entrò invece mai a far parte dell’Accademia papale dei nuovi lincei, che pure aveva visto lo zio Feliciano tra i promotori della sua rinascita nel 1801. 

Per l’alto valore dei suoi studi ricevette la medaglia d’oro dallo Stato Italiano. Oggi, uno dei crateri di Venere porta il suo nome.