凯瑟琳·沃特斯顿在美国康涅狄格州度过童年时光,她在艺术家庭的熏陶下长大,家庭成员都在演艺圈从事导演或者演员的工作。1998年,她从私立学校鲁米斯查菲高中毕业,进入纽约大学帝势艺术学院学习表演。获得表演学士学位后,凯瑟琳开启了自己作为舞台演员的生涯。
2004年,在喜剧电视电影《Americana》中出镜。2006年,主演由布莱丝·达拉斯·霍华德执导的短片《兰花》。个人照2007年,主演由朱利安·谢泼德创作的舞台剧《洛杉矶》；同年,出演由乔治·克鲁尼,蒂尔达·斯文顿主演的惊险动作电影《迈克尔·克莱顿》,该片是凯瑟琳·沃特斯顿的电影处女作,凯瑟琳·沃特斯顿从此步入影坛；随后,其主演的色情电影《三陪保姆》在第32届多伦多国际电影节首映。2008年,主演戏剧《Kindness》,该剧由普利策奖得主亚当·拉普创作；同年,参演由玛莉安娜·帕卡执导的爱情电影《好男》。2009年,参演由李安执导的音乐喜剧电影《制造伍德斯托克音乐节》,该片在第62届戛纳电影节上首映。2010年,参演百老汇先锋戏剧《未婚女子》。2011年,参演由经典舞台公司制作的话剧《DreamsofFlyingDreamsofFalling》；同年,与斯科特·伊斯特伍德,萨拉·帕克斯顿共同主演心理惊悚片《走投无路》。2012年,其参演的话剧《樱桃园》正式上演；随后,出演由罗伯特·德尼罗,朱丽安·摩尔主演的喜剧电影《成为弗林》；8月,与弗兰克·兰格拉,苏珊·萨兰登共同出演的科幻喜剧片《机器人与弗兰克》上映；9月,其参演的心理惊悚片《信》上映；10月,其参演的犯罪历史剧《大西洋帝国第三季》播出；同年,与约翰·库萨克,珍妮弗·卡彭特等人共同出演犯罪电影《绑架悬案》。《性本恶》剧照2013年,在犯罪历史剧《大西洋帝国第四季》中饰演契约杀手理查·哈洛的孪生姐姐艾玛；9月,与达科塔·范宁合作出演的剧情电影《夜色行动》首映；同年,客串出演由詹姆斯·麦卡沃伊主演的剧情电影《他和她的孤独情事：她》。2014年4月,与寇瑞·斯托尔,比利·克鲁德普共同主演的恐怖片《玻璃下巴》上映；随后,与杰昆·菲尼克斯,乔什·布洛林等人联合主演喜剧犯罪电影《性本恶》,饰演私人侦探多克的前女友莎斯塔,她凭借该片获得了第30届独立精神奖罗伯特·奥特曼大奖,入围了第19届金卫星奖最佳女配角等奖项。2015年,与迈克尔·法斯宾德,凯特·温斯莱特合作出演的人物传记电影《史蒂夫·乔布斯》上映,饰演乔布斯前女友里斯安·布伦南；2月,其主演的惊悚片《尘世女王》在第65届柏林国际电影节上映,与伊丽莎白·莫斯饰演一对闺蜜；同年,参演由莱丝利·海德兰德执导的爱情喜剧片《跟别人睡了》；此外,与盖比·霍夫曼联袂主演爱情喜剧片《曼哈顿情缘》。《神奇动物》角色海报2016年,与埃迪·雷德梅恩搭档主演奇幻冒险电影《神奇动物在哪里》,担任女一号,饰演被降级的女魔法师蒂娜·戈德斯坦恩；她凭借该片入围第19届青少年选择奖最佳奇幻电影女演员。2017年,与迈克尔·法斯宾德领衔主演科幻电影《异形：契约》,饰演契约号的抢眼霸气女船员丹尼尔丝；2月,其主演的科幻短片《异形：契约-番外：最后的晚餐》发布,该片是《异形：契约》的宣传短片；8月,与查宁·塔图姆,丹尼尔·克雷格合作参演的动作喜剧片《神偷联盟》上映；同年,联手本尼迪克特·康伯巴奇,迈克尔·珊农等人主演历史传记片《电力之战》,饰演发明家乔治·威斯汀豪斯的妻子玛格丽特。2018年,参演由艾斯彭·山德伯格执导的传记片《阿蒙森》；11月,其主演的奇幻电影《神奇动物：格林德沃之罪》上映,继续饰演蒂娜·戈德斯坦恩；同年,与卢卡斯·赫奇斯主演喜剧电影《90年代中期》,饰演单亲妈妈达布妮；此外,搭档卢克·伊万斯主演剧情电影《如眠国度》。2022年4月15日,主演的电影《神奇动物3：邓布利多之谜》在北美院线上映。12月23日,主演的电影《巴比伦》上映。2023年,主演惊悚片《洪泛区》；3月6日,参演电视剧《梅森探案集第二季》播出；12月8日,出演的电影《末日重始》在北美上映。
凯瑟琳·沃特斯顿的父亲是演员萨姆·沃特森,曾凭借电影《战火屠城》提名第57届奥斯卡金像奖最佳男主角；母亲琳恩·路易莎·伍德拉夫是一名模特。她姐姐伊丽莎白也是一名演员,弟弟葛拉罕是一名导演,她同父异母的哥哥詹姆斯·沃特斯顿是一名演员。