Родилась 25 сентября 1969 в городе Суонси (Уэльс). В детстве участвовала в любительских театральных постановках, в 14 лет была приглашена на прослушивание для участия в телешоу.
В 1987 Кэтрин дебютировала в Лондоне в мюзикле «42-я улица». Через год ей предложили роль Шахерезады в фильме Филипа де Брока «1001 ночь».
В 1991 Кэтрин снялась в телевизионном сериале «Милые бутоны мая», принёсшем ей ещё бо́льшую известность. Дальнейшая карьера актрисы стремительно развивалась в Голливуде.
В 2003 Зета-Джонс получила «Оскар» за роль второго плана в мюзикле «Чикаго».
В родном Уэльсе Кэтрин основала собственную кинокомпанию «Милквуд филмз».
Одна из заметных работ актрисы — роль в фильме «Легенда Зорро» (2005) с Антонио Бандерасом.
