캐서린은 영국 웨일즈 출생으로 재봉사직업의 아일랜드인 어머니와 캔디공장에 다니던 웨일즈인 아버지 사이의 노동자 계급 가정에서 태어났다. 어려서부터 카톨릭교회의 아마츄어에 참여했고, 11살 때 처음으로 연기를 시작하였다. 뮤지컬 <Annie>에 출연하였고, 14살 때에는 연극 <Bugsy Malone>에 출연하였다. 17살 때에는 뮤지컬 <The Pajama Game>에 출연하게 된 캐서린은 합창단 코러스에서 관심을 받게되어 프로덕션에 발탁된다. 1987년 <42nd Street>에서는 페기 소여 역을 맡아 영국 투어 공연에 참여하였다. 1989년 커트 웨일 오페라 <Street Scene>에 출연하였다. 영화 <Les 1001 Nuits>로 데뷔하였다.

TV, 영화 등에 출연하였고, 1996년 <The Phantom>에 출연하였고,  CBS 미니시리즈 <Titanic>의 주연으로 발탁되고, 우연히 TV를 보던 스필버그에 의해 <The Mask of Zorro>에 캐스팅되는 행운을 얻게 된다. 숀 코너리와 함께 주연한 <Entrapment>에서 그녀의 매력을 보여주었으며, 리암 니슨과 함께 주연한 <The Haunting>으로 스타로서의 입지를 확보하게 된다.

영화배우이자 제작자로 유명한 마이클 더글라스와 결혼하였고, 2002년 뮤지컬 영화 <Chicago>에 벨라 켈리 역으로 출연하여, 아카데미어워드에서 여우조연상을 수상하였다. 2003년 <Sinbad: Legend of the Seven Seas>에서 브래드 피트와 함께 목소리로 출연하였고, 영화 <Intolerable Cruelty>에는 조지 클루니와 함께 출연하였다. 2004년 <The Terminal>, <Ocean’s Twelve>, <Ocean’s Eleven>, 2005년 <The Legend of Zorro>, 2007년 <No Reservations>, 독일영화 <Mostly Martha> 등에 출연하였다. 2008년 <Death Defying Acts>, 2009년 <The Rebound>에 출연하였다.

캐서린은 2009년 뮤지컬 무대로 다시 돌아오게 되는데 손드하임의 작품 <A Little Night Music>에 출연하게 된다. 드라마 데스크 어워드, 비평가협회 어워드 등에서 여우주연상을 수상하였고, 2010년 토니어워즈 여우주연상을 수상하였다.