Кэтрин родилась 27 ноября 1951 года в Калифорнии. Ее отец работал менеджером на фабрике по производству краски, мама была библиотекарем. Еще в юности Кэтрин проявила себя как талантливый художник. Два года она проучилась в Художественном институте Сан-Франциско. В 20 лет получила престижную стипендию музея Уитни в Нью-Йорке, и ей предоставили студию, в которой она работала и устраивала выставки своих картин. Ее работами интересовались Ричард Серра (Richard Serra), Роберт Рауценберг (Robert Rauschenberg) и Сьюзан Сонтаг (Susan Sontag). Кэтрин была участником авантгардной группы «Искусство и Язык». Несмотря на успехи в живописи, она решила переключиться на кино и закончила киношколу при Колумбийском университете.

Свой первый фильм — короткометражку «The Set-Up» — Бигелоу сняла в 1978 году. Ее первый полнометражный фильм «Без любви», посвященный байкерам, был выпущен в 1982 году. В 1987 году на экраны вышла картина «С приходом тьмы», а в 1990 в ее фильме «Вороненая сталь» о полицейском, которого преследует психопат, снялась звезда Голливуда Джейми Ли Кертис (Jamie Lee Curtis).

Через год в кинокарьере Бигелоу случился прорыв. Фильм «На гребне волны» с Киану Ривзом (Keanu Reeves) в роли агента ФБР, внедряющегося в банду серферов-грабителей банков, возглавляемую персонажем Патрика Суэйзи (Patrick Swayze), получила восторженные отклики у зрителей.

Высокая (рост 182 см) красавица Кэтрин была замужем один раз, зато за самым успешным с коммерческой точки зрения режиссером Голливуда Джеймсом Кэмероном (James Cameron). Они поженились в середине 1989 года и развелись в 1991 году, сохранив дружеские отношения. Кэмерон написал сценарий и стал продюсером следующего фильма Бигелоу — «Странные дни». Провокационный сюжет и сюрреалистические детали не вызвали большого интереса у широкой аудитории.

Фильм «Вес воды» оказался более камерным и лишенным характерного для творческой манеры Бигелоу напряженного действия. Картина рассказывает о сложных взаимоотношениях двух женщин. В 2002 году Бигелоу вновь выпустила фильм со звездами первой велечины. Главную роль в истории советской подводной атомной лодки «К-19» сыграл Харрисон Форд. Однако публика не оценила драматичный сюжет, и фильм не оправдал надежды прокатчиков, поэтому следующий проект Кэтрин удалось запустить только через пять лет.

Настоящим триумфом Бигелоу стал фильм «Повелитель бури», собравший внушительный букет наград. История о спецотряде саперов, ежедневно рискующих своими жизнями на задании в Ираке, оказалась настолько напряженной и захватывающей, что критики и зрители сошлись во мнении: это один из лучших фильмов 2009 года.