[BETEPAH]

Первым параметром значится свойство, на которое распространяется эффект. Если указано top, значит эффект накладывается на изменение положения сверху. На display этот эффект не будет действовать. Выход - использовать visibility, например

<style>
.catalog-menu a {
  padding: 10px 0;
}

.submenu {
  background: #654B36;
  position: absolute;
  width: 950px;
  height: 420px;
  text-decoration: none;
  font: normal 17px Arial;
  display: block;
visibility: hidden;
  margin-top: 10px;
  margin-left: -492px;
  padding: 10px 0;
  z-index: 1;
  -webkit-transition: visibility 1s ease-out 0.5s;
  -moz-transition: visibility 1s ease-out 0.5s;
  -o-transition: visibility 1s ease-out 0.5s;
  transition: visibility 1s ease-out 0.5s;
}

.catalog-menu a:hover + div{
visibility: visible;
}

.submenu:hover {
visibility: visible;
}
</style>
<ul>
   <li>
      <a href="/">ГЛАВНАЯ</a>
   </li>
   <div class="catalog-menu">
      <li>
         <a href="/catalog">КАТАЛОГ</a>
            <div class="submenu">
                 <a href="/catalog/analoi/">АНАЛОИ</a>
                 <a href="/catalog/analoi/analoi_metallicheskie/"><span id="qwerty">металлические</span></a>
                 <a href="/catalog/analoi/analoi_derevyannye/"><span id="qwerty">деревянные</span></a>
            </div>
     </li>
   </div>
</ul>