Хотя Кэтрин Уотерстон стопроцентная американка, родилась она в Лондоне, где тогда работали по контракту ее родители. Отец Кэтрин актер Сэм Уотерстон известный по драме «Человек на Луне», а мама в прошлом очень известная модель, но к моменту своего брака и рождению дочери она уже закончила свою подиумную карьеру.
Вскоре после рождения дочери все вернулись в Америку, и в семье родилось еще две девочки и мальчик. А кроме того, у отца есть еще сын от первого брака. Все дети в семье сделали карьеру в кинематографе. Брат Грэм стал режиссером, все остальные довольно успешные актеры. Кэтрин Уотерстон закончила очень хорошую школу актерского мастерства при Нью-Йоркском университете. Ее карьера началась на подмостках Бродвея, затем она играла несколько драматических ролей, в ом числе и в пьесе Чехова «Вишневый сад», а потом перебралась в театры Лос-Анджелеса, где талантливую актрису приметили специалисты из Голливуда.
Сначала фильмы с Кэтрин Уотерстон не радовали ее папу и маму большими ролями. Это были комедия «Американа», триллер «Майкл Клейтон», романтическая история «Красавчик» и мюзикл «Штурмуя Вудсток». Но этому были свои причины. Дело в том, что актриса отличалась высоким ростом и режиссеры не могли найти ей адекватного по размерам партнера. Первой ее удачей стал триллер «Слежка», и случилось это спустя десять лет после первых киноролей. Порывом стал образ Шасты Фэй Хепуорт в картине «Врожденный порок», за который она получила номинацию на «Спутник». После этого ее засыпали сценариями, так что актриса получила привилегию выбора проектов.
Свою линую жизнь Кэтрин Уотерстон старается держать в строжайшем секрете. Она считает, что информации о том, что она не состоит в официальном браке и у нее нет детей вполне достаточно. Однако стало известно, что она встречается Адамом Раппом – режиссером, сценаристом и музыкантом. Партнер старше актрисы на 12 лет. Есть информация, что Кэтрин собирается сыграть главную роль в его проекте – драме «Зима красных фонарей».