В октябре 1933 года компаниям Consolidated и Douglas было предложено построить прототипы патрульного гидросамолета под обозначением Consolidated XP3Y-1 и Douglas XP3D-1. Douglas построила только один опытный образец, оснащенный двумя 1000-сильными двигателями, в то время как гидросамолетам XP3Y-1 компании Consolidated было суждено стать самыми широко строившимися в истории авиации летающими лодками.
Consolidated назвала свой проект Consolidated Mod.28. Подобно предшествующему P2Y, он имел крыло типа парасоль. Однако в новом проекте крыло поддерживалось над фюзеляжем с помощью мощного центрального пилона и двух небольших двойных обтекаемых подкосов. За счет этого Mod.28 освободилась от многочисленных стоек и расчалок, увеличивавших лобовое сопротивление и ухудшавших тем самым летные характеристики предшествующих конструкций. Другой новинкой, повышающей аэродинамическую эффективность, было обеспечение самолета стабилизирующими поплавками, которые в убранном полетном положении формировали обтекаемую законцовку крыла. Конструкция фюзеляжа с двумя реданами была очень похожа на фюзеляж самолета P2Y, но Mod.28 имела чистое крестообразное хвостовое оперение, которое также было консольным, без подкосов. Силовая установка включала два двигателя Pratt-Whitney R-1830-54 «Twin Wasp» мощностью 825 л.с., установленных на передней кромке крыла. Вооружение состояло из четырех пулеметов калибра 7,62 мм  и до 907 кг бомбовой нагрузки.
Совершивший первый полет 28.03.1935 самолет XP3Y-1 был вскоре передан в ВМС США для летных испытаний. В октябре 1935 года опытный образец был возвращен производителю для доработоки, которая включала установку двигателей R-1830-64 мощностью 900 л.с., предназначавшихся для 60 экземпляров PBY-1 (это обозначение применялось для патрульных бомбардировщиков).
В это же время было перепроектировано вертикальное оперение, и 19.05.1936 XPBY-1, как был обозначен этот прототип, совершил первый полет. Небольшие изменения в оборудовании самолетов второго серийного заказа, размещенного 25.07.1936, привели к новому обозначению – PBY-2. Модификация PBY-3 была заказана 27.11.1936, а PBY-4 – 18.12.1937. Они имели соответственно двигатели R-1830-66 мощностью 1000 л.с. и R-1830-72 «Twin Wasp» мощностью 1050 л.с.
Все первые экземпляры PBY-4 имели блистеры, закрывающие позиции бортстрелков в средней части фюзеляжа на месте боковых люков. Это стало характерной особенностью последующих серийных самолетов. В апреле 1939 года последний экземпляр серийных самолетов PBY-4 был возвращен в компанию для установки колесного шасси, после чего эти аппараты могли эксплуатироваться как амфибии, и это сделало разносторонним их применение. Когда в ноябре 1939 года переоборудование этих самолетов было завершено, они появились под обозначением XPBY-5A.
Испытания подтвердили значительные преимущества амфибийной конфигурации, и 33 самолета из оставшегося контракта флота США на вариант PBY-5 были выпущены как амфибии PBY-5A, а 25.11.1940 дополнительно были заказаны еще 134 таких самолета.
Широкая летная эксплуатация летающих лодок показала, что конструкция фюзеляжа требует гидродинамических улучшений. Военно-морской авиационный завод провел все необходимые исследования и доработки и по их завершении получил заказ на 156 таких модифицированных самолетов под обозначением PBN-1 «Nomad». Между апрелем 1944 года и апрелем 1945 года компанией Consolidated была построена заключительная серийная версия, обозначенная PBY-6A.
В середине 30-х гг. к этим самолетам был проявлен интерес Советским Союзом, что повлекло за собой заказ на три самолета и переговоры об их лицензионном строительстве в России. Обозначенные ГСТ, эти серийные самолеты оснащались  двигателем воздушного охлаждения М-62 конструкции Микулина, являвшимся усовершенствованным вариантом двигателя М-25 (лицензионным Wright «Cyclone», имевшим мощность 900...1000 л.с.). Первые ГСТ начали появляться в конце 1939 года, и впоследствии их количество переросло в несколько сотен машин, построенных во время войны
Интерес Европы к этим самолетам начался с покупки Британским министерством воздушного транспорта одного экземпляра для оценки. Этот самолет был обозначен как Mod.28-5. Перелетев через Атлантику, он был передан в июле 1939 года на экспериментальную базу морских самолетов в Феликстоу (графство Саффолк). Начало войны вынудило окончить испытания, но первая партия из 50 самолетов была заказана под обозначением «Catalina» Mk.I . Всего Королевские ВВС получили около 700 этих самолетов, и все они, за исключением 11 самолетов PBY-5A, арендованных Британией у флота США, были чистыми (не амфибиями) летающими лодками. Они включали 100 самолетов «Catalina» Mk.I, аналогичных самолетам флота США PBY-5, 225 самолетов «Catalina» Mk.IB (PBY-5B), 36 самолетов «Catalina» Mk.IIA (PBY-5), 11 самолетов «Catalina» Mk.III (PBY-5A), 97 самолетов «Catalina» Mk.IVA (PBY-5), 193 самолета «Catalina» Mk.IVB, строившихся в Канаде под обозначением PB2B-1 и в общем аналогичных PBY-5, и 50 самолетов «Catalina» Mk.IV, строившихся компанией Boeing под обозначением PB2B-2 и имевших вертикальное оперение большего размаха.
В начале 1940 года компания Consolidated приняла заказ Франции на 30 самолетов. Этим самолетам было дано обозначение Mod.28-5MF, но ни один из них не был поставлен до падения Франции. Другие иностранные заказы пришли примерно в то же время и включали в себя 18 самолетов для ВВС Австралии и 48 – для правительства Голландии для использования в колониях Восточной Индии.
Канада имела непосредственное отношение к «каталине» и в качестве производителя, и в качестве покупателя. По соглашению, заключенному между правительствами Канады и США, компаниями «Boeing Aircraft» в Ванкувере и «Canadian Vickers» в Картевилле были установлены конвейерные линии. Общее количество произведенных компанией Boeing самолетов равняется 362, включая 240 самолетов PB2B-1, поставленных в Австралию, Новую Зеландию и Великобританию, 50 самолетов PB2B-2 для Великобритании, 17 чистых гидросамолетов (не амфибий) «Catalina» и 55 самолетов-амфибий для ВВС Канады, обозначенных «Canso». Компанией «Canadian Vickers» всего было произведено 379 самолетов, аналогичных самолетам PBY-5A, 149 из которых были поставлены ВВС Канады.
Из оставшихся 230 самолетов 183 под обозначением PBV-1A планировал приобрести флот США. В действительности же он не получил ни одного из них – все самолеты были поставлены ВВС США, ранее получившим 56 самолетов PBY-5A непосредственно от флота США под обозначением OA-10. Эти самолеты на всем протяжении Второй мировой войны использовались на поисково-спасательных работах, и некоторые из них несли под каждым крылом сбрасываемые надувные спасательные лодки. Последние 75 самолетов PBY-6A были построены компанией Consolidated и обозначены OA-10B.