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》。

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》。

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》。

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》。

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·沃特斯顿一名演员。

金卫星奖

• 2014第19届金卫星奖最佳女配角《性本恶》（提名）

青少年选择奖

• 2017第19届青少年选择奖最佳奇幻电影女演员《神奇动物在哪里》（提名）

独立精神奖

• 2015第30届独立精神奖罗伯特·奥特曼大奖（最佳群戏奖）《性本恶》（获奖）

凯瑟琳·沃特斯顿拥有很好的技术、知识与敏感度，是一个有着醒目外型，身材高挑，具有运动能力的优秀演员。作为从文艺片、独立片中修炼演技，成功跨界到商业领域的代表，凯瑟琳·沃特森的星途前景可谓一片灿烂。在《性本恶》中，她的金发造型让自己潜移默化地进入了角色中，并获得了他人的亲睐。在《史蒂夫·乔布斯》中，她与迈克尔·法斯宾德在狭小空间里张力十足的对手戏令人眼前一亮。在《异形：契约》中，凯瑟琳·沃特森的表现让人信服，一头短发、一袭背心的她显得十分干练。