在二戰史上沒有壹種水上飛機可以挑戰 PBY 卡特林娜的地位，PBY 的生產前後延續了 10 年，使其成為產量最多的水上飛機，其數量甚至超過了二戰其他水上飛機的總和。雖然PBY是二戰時期最慢的飛機之壹，甚至有人說PBY的領航員需要的不是無線電與秒表，而是壹本日歷，並稱之為最雞肋的飛機，但這並不影響PBY強悍的適應性和極為廣泛的用途。從對地轟炸，反潛，偵察，反艦攻擊直到運送突擊隊，PBY堪稱二戰時期作戰性能最為廣泛的飛機，也是全世界至今影響力最大的水上飛機。
當時美國海軍向航空工業界提出巡邏機招標，最後的競爭在聯合 XP3Y-1 和道格拉斯 XP3D-1 之間展開。這兩種機型都成功地完成了試飛項目並達到了所有性能指標，且沒有重大缺陷。由於性能不分伯仲，競爭在價格上展開，聯合單機價 9 萬美元（當年幣值），比道格拉斯低了兩萬美元，贏得了合約。
英國空軍在 1940 年 11 月接收首批 PBY 後不久，將其命名為“卡特林娜”，得名源自加州沿海旅遊勝地卡特林娜島。美國在 1941 年正式將“卡特林娜”定為 PBY 的綽號時，兩國之間有許多的武器裝備已經使用相同的型號/綽號。而同為英聯邦的加拿大皇家空軍使用的 PBY 則被稱為“坎索（Canso，加拿大坎索海峽）”，水陸兩用型為“坎索 A”。除此之外，PBY 還有壹個被稱為“遊牧民（Nomad）”的改型，這就是改進自 PBY-5 的 PBN-1，1944-45 年間在費城海軍飛機廠少量生產。
可以說沒有二戰，就沒有卡特林娜的成功。當 1939 年最後壹架 PBY-4 交付時，美國海軍認為其已經過時，此時 PBY 的後繼機已經在研制中，其中有雙發的 XPBM 水手（Mariner），4 發的 XPB2Y 科羅納多（Coronado）和 XPBS。失去了美國海軍的繼續支持後，聯合公司依靠來自英國、加拿大、澳大利亞、法國和荷蘭的訂單來維持 Model 28-5（PBY-5 出口型）的生產。由於 PBY 是戰前盟軍唯壹能大規模生產的水上巡邏機，迫於歐洲戰爭的爆發，1939 年 12 月，美國海軍重新定購了 200 架 PBY-5，這是自壹戰以來美國海軍最大手筆的單次航空器訂單，也奠定了 PBY 難以撼動的地位。 PBY 是聯合公司著名的航空工程師艾薩克.麥克林.“麥克”.拉頓（Isaac Macklin “Mac” Laddon）主持設計的。1920 年代中期，聯合公司創始人魯賓.弗利特（Reuben Fleet）決定將公司業務從成功的初級教練機（聯合水牛城 Buffalo 工廠生產的陸軍 PT 和海軍 NY 教練機）向重型多發飛機領域發展，來迎合美國陸軍航空隊的需求。為了增強競爭力，1927 年弗利特聘用了拉頓，並與經驗豐富的多發飛機設計師伊格.西科斯基（Igor Sikorsky）的西科斯基航空工程公司結盟，參加 1927 年陸航重型轟炸機的競標。拉頓曾擔任萊特機場（Wright Field）陸軍飛機工程部主任，負責多發布局的研究，並曾以私人身份為波音主持研制壹種遠程水上飛機。
聯合-西科斯基參與轟炸機競爭的方案是壹種雙發雙翼機，在西科斯基為跨大西洋飛行而研制的 S-37 基礎上研制。他們的聯合設計被命名為“護衛者（Guardian）”，由於性能不及競爭者寇蒂斯 B-2“禿鷹（Condor）”而敗北。但不管怎樣，拉頓和他的設計隊伍獲得了寶貴的經驗，並在不久的將來得到應用。 卡特林娜的源頭可以壹直追溯到聯合 XPY-1，這是壹種具有全新設計概念的遠程水上飛機，具有全金屬上單翼結構，與自 1914 年來沿襲格倫.寇蒂斯（Glenn Curtiss）的“美國（America）”的雙翼飛艇布局徹底決裂。海軍首先提出全金屬上單翼結構概念，並將基本設計提交航空工業界，招標生產壹架原型機。聯合公司出價最低，在 1928 年 2 月 28 日贏得了 15 萬美元的新型水上飛機合同。由於鋁合金生產工藝在當時來說還是革命性的，聯合不得不邊發展工藝邊生產，所以直到 1928 年 12 月 XPY-1“海軍上將（Admiral）”才完工，但此時又碰到了以前從未加以考慮的問題——附近的尼亞加拉河（Niagara）已被冰封以至於新機將沒有試飛場地！為了避免幹等到來年開春解凍，聯合與海軍合作將海軍上將拆卸並通過鐵路運至安娜科斯提亞航空站（NAS Anacostia）試飛。
XPY 在聖誕節抵達安娜科斯提亞，在拉頓的監督之下，立即開始組裝測試工作。在完成了地面測試之後，1929 年1 月 10 日海軍上將首飛成功，飛行員是海軍上尉 A.W.戈頓（Gorton），麥克.拉頓依照自己的慣例坐在了副駕駛的位置上。聯合當時沒有自己的水上飛機試飛員，借用了戈頓上尉進行首飛。試飛顯示 XPY 的性能滿足所有要求，海軍於是在 1929 年 6 月提出 9 架生產型招標。由於聯合的報價包含了原型機研發階段的實際工程成本，比格倫.L.馬丁公司（Glenn L. Martin）略高，結果失去了生產合同。在遭此挫折後聯合並未氣餒，立即展開了以 XPY 為基礎設計的 28 座商用水上飛機的研制。這種民用型被稱為“海軍準將（Commodore）”，被紐約.雷歐.布宜諾斯.航空（New York, Rio, and Buenos Aires Line，泛美的前身）采用，成功應用於加勒比及南美航線。海軍準將在民用航空領域服役多年，在商用飛機領域影響巨大。 1932 年，正在 P2Y 交付時，海軍發起了下壹代水上巡邏機設計招標，特別強調性能包線要有很大的擴展。新飛機在以最大重量 11,340 千克、161 公裏時速巡航時航程必須達到 4,827 公裏，這將近 XPY-1 的兩倍。聯合公司受邀接收設計挑戰，麥克.拉頓和他的工程小組自信憑借從 P2Y 獲得的經驗，及 P2Y 在實際使用創造的破紀錄性能，他們有很大獲勝的可能性。
聯合的努力成果是壹種全新設計的水上飛機，因有很大的創新性而申請到了專利（美國專利局在 1934 年 7 月 31 日向麥克.拉頓授予專利號 No.92912）。在對此方案作了初審後，海軍在 1933 年 10 月 28 日與聯合簽訂進壹步研發及制造壹架原型機的合同，並授予型號 XP3Y-1，這是 PBY 誕生前邁出的最後壹步。
在這次設計中，聯合的最主要競爭對手是道格拉斯公司。道格拉斯在生產多發飛機方面享有盛譽，此次提出的方案是 XP3D-1。道格拉斯比 XP3Y 提前 5 個月獲得海軍研制及生產壹架原型機的合同，在時間上占了先機。但道格拉斯 XP3D-1 並不是全新設計，改進自為陸軍設計的 YB-11 水陸兩用轟炸機，而在此之前 YB-11 已經過 YO-44 和 YOA-5 兩次設計更改，從未獲得生產合同。XP3D-1 為上單翼布局，兩具普惠 R-1830 發動機高置在機翼上方的支架上，與道格拉斯的民用海豚（Dolphin）水上飛機和海岸警衛隊/海軍的 RD 系列通用運輸機有血緣關系。XP3D 尺寸比 XP3Y 略小，在爬升率、速度及航程等性能上也略差。1935 年 2 月 6 日 XP3D 首飛，比聯合 XP3Y 提前了壹個多月。
聯合 XP3Y 具有異常幹凈的空氣動力外形，傘式半懸臂機翼通過支柱與船形機身連接，另外機身兩側還各有壹對支柱與機翼相連以增加強度。設計巧妙的可收放翼下浮筒在收回後就變成了翼尖，大大降低了阻力。機翼為傳統鋁合金結構，後翼梁前的表面施以金屬蒙皮，之後為織物蒙皮，副翼為金屬結構織物蒙皮，懸臂式平尾為金屬蒙皮，升降舵、方向舵施以織物蒙皮，在所有控制翼面上都配備調整片。XP3Y 的自衛武器包括壹挺安裝在機鼻的 12.7 毫米M2HB勃朗寧機槍，由投彈手操縱，以及機翼支柱後方的兩挺腰部機槍，口徑為 12.7 毫米或 7.62 毫米。攻擊武器包括懸掛在機翼外側掛架上的 45~450 千克炸彈，通過轉換器也可掛載標準航空魚雷。機鼻投彈瞄準窗口外部有百葉窗式護門保護，內采用先進的諾頓（Norden）MK XV投 彈瞄準具。機身內部分成 5 個水密艙，艙與艙之間有水密門，提高了抗沈性。機組編制為投彈手/機鼻機槍手、正副飛行員、領航員、無線電員、隨機機械師和兩個腰部機槍手。為了保障在前進基地執行長時間任務，機艙內還具有臥鋪、廚房和食物儲存設施。XP3Y 和 XP3D 壹樣都被指定使用新型 825 馬力普惠 XR-1830-58 雙黃蜂（Twin Wasps）發動機，驅動漢密爾頓標準公司（Hamilton Standard）的變距 3 葉恒速螺旋槳。發動機安裝在機翼上方全 NACA 整流外形且具備後緣調整片的發動機艙內。在兩個發動機艙間的中央翼段內是容量 6,624 升的內部油箱。
聯合於 1933 年末開始在水牛城工廠制造原型機並持續到 1935 年初。為避免因尼亞加拉河水上飛機起降場結冰而導致的任何延誤，公司決定還是將 XP3Y 用鐵路運至諾福克航空站（NAS Norfolk），利用那裏的海軍設施進行組裝，地面及飛行測試。 XP3Y 在 1935 年 3 月初抵達諾福克，到 3 月中旬完成了必需的試飛前組裝測試工作。3 月 21 日聯合試飛員比爾.惠特利（Bill Wheatley）駕機首飛相當成功。工廠試飛在沒有出現明顯故障的情況下結束，3 月 28 日 XP3Y 被轉交海軍由軍方在安娜科斯提亞試飛航空站進行初始試飛，期間遭遇故障，但沒有壹個造成試飛延誤。4 月進行槍炮射擊測試，5 月飛機返回諾福克進行粗暴水上起降測試，在 5 月 13 日的壹次降落中飛機受損，但很快被修復繼續試飛。
試飛過程中壹直有報告說 XP3Y 存在方向穩定性和操控方面的問題，隨即廠方進行了數項改動但成效不大。隱患在 5~6 月間進行的轟炸測試中暴露出來，較差的方向穩定性和過高的方向舵舵力影響了轟炸精度。經查是因為在此前增加了方向舵面積，但同時加大了舵力，於是再次修改方向舵。
7 月 XP3Y 回到諾福克繼續水上測試。7 月 27 日在壹次降落中嚴重損壞，幸好機身防水壁和水密門發揮了作用，阻止了飛機的下沈，XP3Y 得以被拖回航空站維修。在壹次破紀錄的從東海岸經由運河區的轉場飛行後，XP3Y 的水上測試於 10 月完成。
海軍測試部的最終報告中評價 XP3Y-1 投產是“可以接受”，但付上了以下幾條改善飛行品質和運作能力的建議：
提供向後下方射擊的機槍站
改進腰部機槍站並為機槍手提供視野更好的觀察窗
增大載彈量
修改方向舵及其操縱系統以改善穩定性和方向控制
改進機鼻機槍站
無論如何，對 PBY 的未來意義重大的是測試部最終報告中關於性能的部分：實測數據 性能要求 最大速度（公裏/小時） 274.82 256 最小速度（公裏/小時） 93.32 96.54 服役升限（米） 5669.28 4572 起飛時間（秒） 22 60 空重（千克） 5,700 5,918 1935 年 6 月，海軍與聯合簽署了生產 60 架 P3Y-1 的合同，聯合在聖叠戈（San diego）的新工廠開始為生產準備工裝設備。生產型上采納了測試部的建議，重新設計方向舵、延伸方向舵下的機身、在尾艙內增加壹個向下射擊的機槍站，在飛行時通過打開機腹艙門向後下方射擊（迅速被稱為“機腹機槍”），配備機鼻機槍轉塔，對發動機進行更改以匹配生產型 R-1830-64。
XP3Y 返回聖叠戈工廠實施上述改進，完成後的飛機型號變為 XPBY-1，但保留了原先的航空局序列號（BuNo）9459。型號中增加的“B”表示該型機具備炸彈攜載能力。公司飛行員比爾. 惠特利駕駛 XPBY-1 作了最後壹次展示飛行，1936 年 5 月 21 日該機交付海軍開始軍方試飛。軍方試飛結果令人滿意，僅提出方向舵及其控制系統的小改動。實際上最初原型機試飛所發現的主要問題就是方向穩定性及控制問題，生產型引入的方向舵及控制系統的改進將上述問題降低到可接受的程度，但還沒有徹底根除。最後還是海軍工程師在 PBY 派生型 PBN、PB2B-2 及最終型號 PBY-6A 上通過完全重新設計垂尾和平尾翼面才得以徹底解決。