15歳に成長したカツは、ハヤト・コバヤシのカラバ参加に伴い、地球連邦軍によって軟禁状態だったかつての英雄、アムロ・レイのエゥーゴ参加を促し、彼と共にカラバに参入する。またガンダムMk-IIでの無断出撃を行い、義理の父親であるハヤトからの暴力的修正を含む叱責を被るが（劇場版ではエピソード自体割愛される）、その後、彼の許可を得たことに加え、ブライト・ノアらの承諾を得て宇宙へ上がりエゥーゴへと参加する。
宇宙に上がる際、アムロより一年戦争においてア・バオア・クー内部でシャア・アズナブルと撃ち合った拳銃を餞別として預託され、以後、その拳銃は彼の命と同等に大切な品物となる。フォン・ブラウン市でジェリド・メサに一瞬の隙を突かれ拳銃を奪われてしまうエピソードがあるが、後に無事に取り戻された。
前作とは打って変わって、感情の起伏が激しい性格となっている。監督を務めた富野由悠季によると「7年の歳月は子供を十分に変えてしまう長さ」「（育っていく過程において）自制心が足りなかったのだろう」とある。。突発的に過激な行動を取り、軍隊的規律を犯すことが多く、年上の同僚であるカミーユ・ビダンや上官のエマ・シーンらにたしなめられる事も多かったが、結局、それは最期まであらためられることは無かった。
戦役中はブライトが艦長を務めるアーガマから、ヘンケン・ベッケナーが艦長を務めるラーディッシュへ、そして再びアーガマへと、所属艦を転々と異動した。参加当初はモビルスーツが一機も余っていなかったため、整備の手伝いなどを行っていたが、物語進行と共に、本人たっての希望もあり、晴れてモビルスーツのパイロットとなる。規律を破り、無断出撃することも多い。しかし、それが射殺されそうになったカミーユ・ビダンを救出するといった功績につながることもあった（カミーユは偵察のため、既にティターンズに占拠されていたフォン・ブラウン市に潜入していたが、顔見知りのジェリド、マウアー・ファラオに発見され危険な状態に陥っていた）。好戦的に見られる一方、エゥーゴがアクシズと共同戦線を張った際には、かつての敵組織・旧ジオンの残党であるアクシズへの葛藤から頑なに出撃を拒むという一面も見られる。当初はネモに乗っていたが、Gディフェンサーが完成してからはその専任パイロットを務めた。
ティターンズ所属のサラ・ザビアロフと出会い、その恋心から突発行動が過激化し、周囲の顰蹙を買うという時期もあった。捕虜となったサラに騙され、逃亡されてしまった折りには、その蹉跌に苛まれ人間不信へと陥ってしまう。カツは物語終盤において、サラが心酔するというパプテマス・シロッコを討とうとしたものの、逆にシロッコの盾となって立ちふさがったサラを誤射し、自らの手で撃墜死させるという致命的失敗を冒す。結果的に前作『ガンダム』において、シャアを身を挺して守ろうとしたララァ・スンを殺めたアムロ同様の悲劇を経験することとなったが、サラの仇討ちとしてハマーン・カーンやシロッコに憎しみを向けるようになった。
エゥーゴ、ティターンズ、アクシズの三つ巴の最終決戦中、ヤザン・ゲーブル率いるハンブラビ隊と交戦し、危機に陥っていたエマを救う活躍を見せた。しかし、自身の乗るGディフェンサーをガンダムMk-IIへドッキングさせた後には退避命令を無視し、Gディフェンサーのコクピット・ブロック単体で戦闘に割り込むといった無謀な行為に及んでしまう。結果的にはそれがハンブラビ隊の一人、ラムサスを撃墜するきっかけに繋がったものの、直後によそ見をしたところで浮遊していた隕石に正面衝突してしまう。瀕死となったカツは、ヤザンのハンブラビによるビームキャノンの狙い撃ちを受けると、失速したままサラミス級宇宙巡洋艦と思しき残骸に突入し爆死した（劇場版ではヤザンによる攻撃部分はカットされ、単純に隕石に激突死する描写となる）。
カミーユの、シロッコとの最終決戦では魂（幻影、作中では「力」や「意志」とも称される）となって、カミーユの体当たりをサポートした。彼の魂はカミーユの前に立ちはだかるサラの魂を懐柔させる。続編『機動戦士ガンダムΖΖ』においては、ハヤトが、精神崩壊の最中にあるカミーユの顔を見つめているところで、突如カツの姿が浮かび上がるというシーンがある（カツの魂がカミーユを媒介に、言語を介さずハヤトに伝達されようとした）。またジュドー・アーシタとハマーンの最終決戦時にも幻影となって姿を現し、ララァ、フォウ・ムラサメ、サラ達と共に、物語中の女性的感性の一翼を担う象徴的存在となってジュドーに力を付与している（但し台詞は無い）。
『ガンダムΖΖ』におけるブライトとハヤトとの会話によると、彼の戦死は第一次ネオ・ジオン抗争中にはフラウ、レツ、キッカには伝えられていないことが判る。劇場版Ζ基軸で描かれた漫画『機動戦士Ζガンダム デイアフタートゥモロー ―カイ・シデンのレポートより―』では、家族に彼の死についてより早く伝わっており、静岡にあるコバヤシ家には遺影と位牌が飾られるといった描写がある。ただし、この作品自体は公式設定という訳ではない。
近藤和久による漫画版では、任務に忠実な少年兵として描かれており、GディフェンサーとガンダムMk-IIのドッキングも、カツの判断と指示に基づき行われている。グリプス戦役末期にティターンズのドルク中尉に苦戦するエマ機の支援に向かい、戦闘を優位にすべくGディフェンサーを彼女に提供するも、コクピットブロックの分離時を狙われ海ヘビに捕らえられる。高圧電流を浴びて機体が爆破、戦死した。
