É uma espécie de hábito epífita, mas também pode ser encontrada na forma terrestre vegetando sobre detritos de folhas e pedaços de madeira caídos de árvores nas florestas de galeria, geralmente próximas a rios ou brejos. Em algumas regiões também pode ser encontrada na forma rupícola, vegetando sobre rochas.

Vegeta em regiões de cerrado, sempre entre os 500 e 1.200 metros acima do nível do mar, mas mesmo vegetando regiões de cerrado, não tolera luz solar direta, buscando sempre locais um pouco mais protegidos da incidência direta do sol e sempre com bastante ventilação.

Pode ser encontrada dispersa pelos estados de Minas Gerais, São Paulo, Rio de Janeiro, Goiás e Distrito Federal.

Alguns orquidófilos fazem severas diferenciações da Cattleya bicolor de acordo com o estado que é encontrada, porém trata-se de uma mesma espécie independente das suas características morfológicas.

No estado de São Paulo, mais precisamente no Vale do Paraíba e Serra da Mantiqueira e no Rio de Janeiro, na Serra do Mar, ela foi denominada Cattleya bicolor var. bicolor. As flores das plantas dessa região são bem menores que as de outros estados, de colorido verde até bronze-avermelhado, suas pétalas, sépalas e principalmente o labelo bem mais estreitos, em sua maioria não produzindo flores de boa forma.

Já as plantas encontradas no estado de Minas Gerais, em algumas cidades como Pará de Minas, Itabira e outras mais, são chamadas de Cattleya bicolor var. minasgeraisensis. Sempre com flores de ótima forma, de tamanho bem maior que as encontradas em São Paulo e Rio de Janeiro, e de colorido com bastante variação. Nesse hábitat foram encontradas a maioria das variedades dentre dessa espécie.

Pode ser encontrada também no estado de Goiás, pegando as divisas com os estados de Minas Gerais e Distrito Federal, e são chamadas Cattleya bicolor var. brasiliensis. Também possuem muito boa forma  e colorido muito intenso.

Planta
O aspecto vegetativo é bem típico, mas tem variações de acordo com a região natural da planta. Mas no geral é planta possui rizoma forte, que emite raízes grossas e flexuosas, pseudobulbos fusiformes, cilíndricos e sulcados, eretos ou arqueados, lembram a cana-de-açúcar e algumas plantas de determinadas regiões como as de Minas Gerais, que podem ultrapassar um metro e meio de altura.

Pseudobulbos encimados por duas ou três folhas elíptico-lanceoladas, coriáceas, rígidas, com mais ou menos 15 centímetros de comprimento, por 8 centímetros de largura e de colorido sempre verde bem escuro.

Flor
Tem como início de sua floração o final do mês de dezembro, atingindo seu ápice no início do mês de fevereiro.

A inflorescência surge em espata simples no meio das folhas, com hastes florais podendo atingir até 30 centímetros de altura e  podendo portar até 15 flores de mais ou menos 10 centímetros de diâmetro.

Uma particularidade que a diferencia de qualquer outra das Cattleyas bifoliadas,  é a falta dos lóbulos laterais, que deixa assim, toda coluna exposta. O lóbulo frontal em forma de leque ou pá e com bastante substância, apresenta uma canaleta que sai por baixo da coluna e que se prolonga até o meio do labelo, sendo outra característica bem marcante dessa espécie.

Abaixo algumas das variedades da Cattleya bicolor:
- Alba: pétalas e sépalas completamente verdes e sem qualquer mácula, com labelo totalmente branco-puro.
Albescens: pétalas e sépalas de colorido verde, com pouquíssimas ou mesmo sem qualquer mácula, e labelo com leve ou quase imperceptível sopro rosado.
Coerulea: pétalas e sépalas podendo ir do verde-amarelado ao verde-bronzeado, com ou sem máculas na tonalidade lilás-azulado, e labelo com colorido lilás-azulado.
Measureiana: pétalas e sépalas de colorido típico, podendo ir do verde-bronzeado ao marrom bem escuro, e labelo totalmente branco-puro.
Semi-alba: pétalas e sépalas podendo ir do colorido verde-amarelado ao verde, sem qualquer tipo de mácula e labelo com colorido lilás de intensidade variável.
Suave: pétalas e sépalas podendo ir do colorido verde-amarelado ao verde-bronzeado e labelo com colorido róseo bem pálido.
Típica: pétalas e sépalas podendo ir do colorido verde-bronzeado ao marrom bem intenso (chocolate), com ou sem máculas de intensidade e quantidade variável e labelo lilás bem intenso.

Cultivo
Planta muito exigente no tocante a umidade e aeração de suas raízes, o que torna seu cultivo um pouco mais complicado como a maioria das Cattleyas bifoliadas.

Desenvolve-se muito bem em vasos de barro ou cestinhos de madeira, desde que preenchidos com fibra de xaxim lavada ou mesmo cubos de xaxim, de modo que as raízes fiquem sempre bem aeradas.

A Cattleya bicolor não é muito tolerante com relação ao excesso de divisões, principalmente quando em plantas pequenas.