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Die Entwicklung des Flugzeuges begann im Frühjahr 1933 und bereits am 28. Oktober 1933 bestellte die US Navy einen
USAFCatalina-1-
Prototyp, der gegen die Douglas X3PD-1 antreten sollte. Consolidated griff dabei auf Erfahrungen bei der Entwicklung der P2Y zurück. Der Erstflug des im Februar 1935 in Buffalo (New York) fertiggestellten Prototyps der „Catalina“ (Herstellerbezeichnung: Model 28), der noch die Bezeichnung XP3Y trug, erfolgte am 28. März 1935. Da der Niagara River zu diesem Zeitpunkt zugefroren war, musste das Flugzeug dazu per Eisenbahn zur Naval Air Station Anacostia (Washington D.C.) gebracht werden. Der Konstrukteur Isaac Laddon war so überzeugt von seinem Entwurf, dass er neben Pilot Bill Wheatley an Bord war. Im Am 29. Juni 1935 bestellte die Navy 60 Maschinen und im Oktober 1936 flog die erste in San Diego gebaute PBY-1 für die US Navy, woraufhin weitere 116 Stück der Ausführungen PBY-2 und PBY-3 bestellt wurden. 1938 erschien die PBY-4 mit den 1200 PS starken Pratt & Whitney R-1830 Twin-Wasp-Motoren und den beiden verglasten blasenförmigen Beobachterkanzeln am hinteren Rumpf. Am 20. Dezember 1939 bestellte dann die US Navy 200 Exemplare PBY-5, die als Langstrecken-Patrouillenflugzeuge die Neutralität der USA schützen sollten. Ab Mai 1941 flogen die Maschinen von Neufundland und später von Island aus. U-995 wurde einmal von der Catalina "M" angegriffen.

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Außer Consolidated fertigten zwei weitere Flugzeugwerke in Kanada das Flugboot. Die Versionen des einen Herstellers trugen den Namen „Canso“, die des anderen (Canadair) den Namen „Nomad“. Canadair war auch der einzige Hersteller überhaupt, der das Flugboot in der Version PBY-6A nach dem Ende des Zweiten Weltkrieges in sehr kleinen Stückzahlen weiter produzierte. Die Canso wurde u. A. in Frankreich als Löschflugzeug verwendet.


In der Sowjetunion wurden etwa 150 „Catalina“ als GST (Gydrosamoljot transportny) in Taganrog in Lizenz gebaut, 189 weitere Flugzeuge wurden im Rahmen des Lend-Lease-Abkommens geliefert. Diese flogen noch bis in die Mitte der 1950er-Jahre bei der Marine der UdSSR.


Insgesamt liefen mehr als 3300 Exemplare von den Bändern, davon mehr als 1400 als Amphibienflugzeug. Die Catalina war damit das meistgebaute Flugboot aller Zeiten.


Die US Air Force schickte die Catalina 1953 in den Ruhestand, die US Navy musterte im Januar 1957 die letzte Maschine aus.

Nach dieser Zeit wurden manche Nachbauten für Flugshows verwendet.