Rica com sua leitura das mãos e negócios mágicos, Catherine dava grandes festas luxuosas para a elite da alta sociedade e, enquanto isso, havia rumores de que era muito promíscua e infiel ao marido, começou a se envolver em práticas mágicas mais sombrias. Uma delas eram as “missas negras” que mantinha por sua clientela rica. Durante esses rituais, ela supostamente invocaria o próprio Satanás para conceder desejos. Essas missas negras muitas vezes envolviam o uso de sacrifícios de animais e, de acordo com alguns rumores, sacrifícios de bebês. À medida que sua lista de contatos crescia, começou a se ramificar em venenos, vendendo para pessoas que queriam alguém morto, e que eventualmente lhe renderam o apelido de La Voisin “A Envenenadora”.
Catherine começou a reunir uma rede de envenenadores e químicos profissionais para ajudá-la neste negócio sombrio, a certa altura, um de seus amantes, o alquimista Adam Lesage, quase convenceu La Voisin a assassinar seu próprio marido, embora mais tarde ela desistisse. Diz-se que ao longo de sua carreira ela pode ter sido responsável por até 2.500 mortes devido a sua campanha de envenenamento, mas por anos ela foi uma socialite de destaque e tão amada pela aristocracia que com isso e seu charme ninguém jamais suspeitou. No entanto, a queda de La Voisin estava se aproximando.
Tudo começou com uma cliente chamada Madame de Montespan, que supostamente se tornou amante real oficial do rei Luís XIV da França depois de mandar Catherina celebrar uma missa negra para ela ganhar seu amor e atenção. Montespan então usou poções do amor para mantê-lo interessado nela, mas o rei eventualmente ficou entediado e a largou de qualquer maneira, indo ficar com uma mulher chamada Angelique de Fontagnes. A desprezada Montespan não aceitou bem a situação, indo a La Voisin a fim de comprar veneno para matar o rei e sua nova amante. Em 1679, La Voisin propôs um plano engenhoso em que uma petição seria revestida de veneno que poderia ser absorvida pela pele, que seria então passada ao rei por um cúmplice. Infelizmente, o plano não deu certo porque o rei não estava aceitando petições naquele dia, e as coisas rapidamente pioraram a partir dali, quando duas associadas de La Voisin, as cartomantes e envenenadoras Marie Bosse e Marie Vigoreaux, foram presas pela polícia que estava suspeitando de que havia um envenenamento acontecendo em Paris, tornando mais urgente as investigações pelo fato de acredita-se que a cunhada do rei, a duquesa d'Orléans, tenha sido morta por envenenamento. Bosse acabaria cedendo sob interrogatório apontando o dedo para Catherine “La Voisin”, a mulher foi rapidamente presa, seguida por muitos de sua rede de associados, incluindo sua própria filha, Marguerite Monvoisin.
As coisas pareciam cada vez piores para Catherine, já que muitos de seus associados foram coagidos a fornecer informações bastante incriminatórias relacionadas aos envenenamentos em massa e à magia negra, o que tornou o que estava sendo conhecido como O Caso dos Venenos ou L'Affaire des Venenosainda. A própria La Voisin nomeava alguns membros de alto nível da sociedade como clientes, levando muitos aristocratas proeminentes a serem exilados ou presos. O medo das pessoas da alta sociedade e políticos importantes e membros da nobreza por estarem ligados a seus crimes foi provavelmente uma das razões pelas quais ela nunca foi torturada, embora tivesse sido dada ordem para que a tortura pudesse ser usada. Não houve muitos interrogatórios posteriores, com La Voisin recusando-se a revelar seus associados mais próximos e negando que sequer conhecesse Montespan. Ela também negou ter feito qualquer veneno, bem como negou os abortos que havia realizado e as acusações de que ela havia queimado e enterrado os fetos em seu jardim.
Durante seu julgamento, muitas evidências foram apresentadas contra La Voisin, incluindo vários frascos, cubas, jarros, potes, pacotes, cristais, poções e caldeirões, bem como todos os tipos de bruxaria e parafernália mágica encontrados em sua posse, enquanto administrava para escapar das acusações de envenenamento e assassinato, ela foi inevitavelmente acusada de bruxaria. Esta época levava a bruxaria e a feitiçaria muito a sério, e a punição era severa. Em 22 de fevereiro de 1680, La Voisin foi queimada na fogueira em público na Place de Grève em Paris. Curiosamente, quem acenderia o fogo seria um de seus muitos ex-amantes, o carrasco André Guillaume. Pouco depois da execução, a coisa toda se tornaria ainda mais escandalosa quando sua filha Marguerite apresentou as histórias das missas negras e o plano para assassinar o rei Luís XIV. Isso tornou as acusações contra La Voisin ainda mais contundentes, embora ela já estivesse morta demais para ser punida novamente.