Кэтрин родилась в Уэльсе в семье владельца кондитерской фабрики и швеи. На самом деле Зета — не часть фамилии, а второе имя Кэтрин, ставшее частью ее сценического псевдонима.
Творческий путь юной актрисы начался на театральных подмостках. А в возрасте пятнадцати лет она уже получила главную роль в мюзикле «42-я улица», который шел в Лондоне. Поначалу она была лишь вторым дублером, но когда исполнительница и первая дублерша выбыли из строя из-за болезни, и Кэтрин наконец-то вышла на сцену, ее игра так впечатлила продюсеров, что они отдали ей роль до конца сезона.
Следующей ступенью к славе было телевидение. Кэтрин исполнила роль Мариетты в сериале «Нежные майские цветы» и стала очень популярна у себя на родине в Великобритании. Потом были вторые роли в кино: «Христофор Колумб: История открытий» (1992), «Перепутанные наследники» (1993). Через некоторое время Кэтрин стали давать главные роли. В 1996 году она сыграла заглавную роль в фильме «Екатерина Великая» и главную роль в мини-сериале «Титаник» Роберта Либермана. Сексапильной брюнетке было уже почти 30, а мирового успеха все не было.
Настоящим прорывом в карьере актрисы стал вестерн «Маска Зорро» (1998), где она сыграла вместе с Антонио Бандерасом и Энтони Хопкинсом. А в 2005 году на экраны вышло продолжение — «Легенда Зорро».
В 2003 году Кэтрин получила долгожданное признание Киноакадемии — в виде «Оскара» за лучшую женскую роль второго плана в фильме-мюзикле «Чикаго». Теперь предложения посыпались на нее как из рога изобилия: «Невыносимая жестокость» (2003), «Терминал» (2004), «Двенадцать друзей Оушена» (2004), «Вкус жизни» (2007). Ее партнерами были известные голливудские красавцы, признанные секс-символы, но все попытки склонить Кэтрин к романтическим отношениям были тщетны. Потому что она уже встретила главного мужчину своей жизни и была ему верна.
В 2000 году Кэтрин вышла замуж за актера Майкла Дугласа. Примечательно, что супруги родились в один и тот же день с разницей в 25 лет. С будущим мужем актрису познакомил Дэнни Де Вито, старый друг Дугласа. Майкл на тот момент уже три года как расстался с женой, но официально все еще был женат. При знакомстве с роковой красавицей Кэтрин актер произнес сакраментальную фразу: «Я хотел бы стать отцом ваших детей». Тогда никто и представить не мог, что фраза окажется пророческой. Однако Кэтрин не сразу поддалась обаянию Майкла и почти полгода держала оборону.
8 августа 2000 года у пары родился сын, которого назвали Дилан Майкл Дуглас. А 18 ноября того же года влюбленные наконец-то поженились. Свадьба была роскошной даже по голливудским меркам. Торжество прошло в нью-йоркском отеле «Плаза». А за фото со свадьбы журнал «ОК!» заплатил 1,6 млн. долларов. Среди гостей были замечены Брэд Питт, Джек Николсон, Шон Коннери, Шэрон Стоун, Энтони Хопкинс, Стивен Спилберг и даже генеральный секретарь ООН Кофи Аннан. Кэтрин, облаченная в платье с бриллиантами от Christian Lacroix, демонстрировала совершенно не изменившуюся после родов фигуру.
Через три года после свадьбы, 20 апреля 2003 у супругов родилась дочь Кэрис Зета-Дуглас.
Этот брак в Голливуде считался одним из самых крепких и счастливых, пока в 2011 году у актрисы не диагностировали биполярное аффективное расстройство. Майкл настоял на лечении, и Кэтрин незамедлительно легла в клинику.
В начале 2013 актрисе опять поставили неутешительный диагноз — биполярное расстройство второго типа и ей пришлось снова пройти курс лечения.
В августе 2013 года Майкл заявил, что подает на развод, т.к. «не в силах терпеть больше глобальную депрессию, которая ярко выражена из-за болезни Кэтрин». Супруги больше не жили вместе. К счастью, Майклу и Кэтрин удалось преодолеть этот кризис, и их брак был спасен.
Несмотря ни на что, Зета-Джонс продолжает сниматься в кино. Среди ее последних работ триллер «Побочный эффект» (2013), где она, по иронии судьбы, исполнила роль психотерапевта и комедийный боевик «РЭД 2» (2013), в котором она сыграла русского спецагента Катю.
В одном из последних интервью Майкл признался: «Мы очень близки, и все идет отлично. Иногда мы тратим больше энергии на незнакомых людей, стараясь произвести впечатление, чем на тех, кто нам ближе всего. Нужно всегда помнить, что близкого человека нельзя принимать как должное».