Кэтрин Зета-Джонс родилась 25 сентября 1969 года в Суонси, Великобритания. Ее мать, Патрисия Фэир, работала швеей, отец, Дэвид Джонс — владелец кондитерской фабрики. Кэтрин назвали в честь бабушки по материнской линии, Кэтрин Фэйр, и бабушки по отцовской линии, Зеты Джонс. У Зета-Джонс есть два брата, Дэвид и Линдон. Младший брат Кэтрин является ее личным менеджером, а также продюсирует фильмы студии «Milkwood Films». Кузен отца Зета-Джонс женат на певице Бонни Тайлер. Кэтрин Зета-Джонс недавно приобрела особняк для родителей стоимостью £2 млн.

В 80-х родители Кэтрин выиграли £100 000 в лотерею. Семья переехала в элитный поселок в пригороде Суонси. Зета-Джонс перешла в частную школу Dumbarton House School, но вскоре бросила учебу, чтобы заняться актерской карьерой. Позже она окончила школу искусств The Arts Educational Schools в Лондоне.

Актерские способности Кэтрин Зета-Джонс проявляла еще в детстве. Она часто выступала перед друзьями и на семейных праздниках. Профессиональный дебют Зета-Джонс состоялся в суонском театре Swansea Grand Theatre. Когда Зета-Джонс было 14, американский актер и режиссер Микки Доленз увидел Кэтрин в театре и был столь впечатлен ее работой, что предложил ей присоединиться к его труппе. В 1990-м состоялся кинодебют Кэтрин Зета-Джонс в французском фильме «1001 ночь», с которого и началась успешная кинокарьера актрисы.

В 1992 году Кэтрин сыграла одну из главных ролей в фильме «Христофор Колумб: Завоевание Америки», в котором также снялись такие знаменитости как Марлон Брандо и Том Селлек. Картина не имела большой успех, как и все последующие, вплоть до 1998 года.

В 1998 году Кэтрин исполнила главную женскую роль в картине «Маска Зорро».

В 1999 году с ее участием вышло две картины - «Западня» и «Призрак дома на холме», однако обе картины провалились в прокате и были номинированы на антипремию «Золотая малина».

В 2000 году Кэтрин вместе с будущим мужем, Майклом Дугласом, снялась в триллере «Траффик», а также исполнила небольшую роль в картине «Фанатик».

В 2001 году Кэтрин сыграла роль актрисы Гвен Харрисон в мелодраме «Любимцы Америки».

Одну из самых своих известных ролей Кэтрин сыграла в 2002 году в мюзикле «Чикаго», где ей досталась роль примадонны водевиля Велмы Келли. За эту роль она удостоилась премии «Оскар» как лучшая актриса второго плана, а также премий Гильдии киноактеров США и Британской академии в такой же категории.

В 2004 году Кэтрин Зета-Джонс исполнила роль стюардессы Амелии в картине Стивена Спилберга «Терминал», главную роль в котором сыграл Том Хэнкс.

В том же году она появилась в криминальном триллере Стивена Содерберга «Двенадцать друзей Оушена».

В 2005 году Кэтрин вновь сыграла подружку Зорро в картине «Легенда Зорро».

В 2007 году Кэтрин вместе с Аароном Экхартом снялась в мелодраме «Вкус жизни», а вместе с Гаем Пирсом в триллере «Смертельный номер».

В 2009 году актрисе досталась главная роль в мелодраме «Нянька по вызову», где ее партнером по съемочной площадке стал Джастин Барта.

В апреле 2011 года, Зета-Джонс прошла курс лечения от психических расстройств, лечилась в Силвер-Хилл больницы в Нью-Ханаан, штат Коннектикут, из-за этого выпала больше чем на год из киномира.

В 2012 году Кэтрин вернулась в строй и сразу с четырьмя картинами - «Фортуна Вегаса», «Рок на века», «Мужчина нарасхват» и «Город порока».

В 2013 году Зета-Джонс сыграла главную роль в триллере Стивена Содерберга «Побочный эффект», а также появилась в роли русской разведчицы Кати Петрокович в боевике «РЭД 2».

В начале мая 2013 года актриса вновь легла в психиатрическую клинику, чтобы пройти курс лечения от биполярного расстройства психики.