Кэтлин Дойл Бэйтс родилась Мемфисе, штат Теннесси. Среднее образование получала в средней школе в Мемфисе, высшее - в Далласе (Южный методический Университет). В 1971 получает свою первую эпизодическую роль в кинофильме «Отрыв» Милоша Формана. В последующие несколько лет работает в театре. Некоторую известность приобретает после работы в постановке «Преступления сердца» (1978).

В 1982 году актриса получает роль Стэллы Мэй в картине «Приходи ко мне на встречу, Джимми Дин, Джимми Дин». Менее чем через год роль дочери-самоубийцы в фильме «Ночная мать» (1983), а вскоре и роль официантки в фильме «Фрэнки и Джонни в Клэр де Лун». Все эти роли были эпизодическими и малозаметными, ни одна из них не приносит актрисе ни славы ни денег.

Все изменилось в 1990 году, после образа хладнокровной психопатки в картине «Мизери» Роба Райнера. Кинокритики высоко оценили работу актрисы. Эта роль приносит актрисе не только первую известность, но и «Оскар». «Оскар» привлекает внимание к актрисе со стороны продюсеров, интересные предложения следуют одно за другим.

В первой половине девяностых на экраны кинотеатров выходят более 15 картин с участием Кэтлин: «Игры в полях Господних» (1991), «Тени и туман» (1992), «Прелюдия к поцелую» (1992), «Наш собственный дом» (1993), «Проклятье голодающего класса» (1994), «Станцуем, крошка» (1995), «Долорес Клейборн» (1995). Большинство ролей этого периода оказываются откровенно неудачными.

Гораздо более удачной выходит вторая половина девяностых. В 1997 году Кэти играет роль Молли Браун в «Титанике». На следующий год на экраны выходит сразу три картины с участием актрисы «Гражданский иск» (1998), «Маменькин сыночек» (1998), и наиболее удачная из этой тройки - «Основные цвета» (1998) в которой Бэйтс работает вместе с Эммой Томпсон и Джоном Траволтой. За роль Сюзан Стейтон в этой картине Кэтлин была номинирована на Оскар, как лучшая актриса второго плана.

Не сбавляет обороты актриса и в новом тысячелетии, снимаясь в нескольких картинах ежегодно. В 2002 году получает очередную номинацию на Оскар (вновь за лучшую роль второго плана) за работу в фильме «О Шмидте» (2002). Очередные картины с участием актрисы «День, когда Земля остановилась», «Семья охотников», «Дорога перемен», «Шери» и «Вначале приходит любовь» выйдут на экраны кинотеатров в 2008-2009 году.

В 1991 году она вышла за муж за актёра Тони Кампизи, с которым она жила до этого 12 лет. В 1997 году они развелись.