Катерина Грэхэм родилась 5 сентября 1989 года в Женеве (Швейцария), когда её отец работал там журналистом. Выросла Грэхэм в Лос-Анджелесе (штат Калифорния, США). Её родители либериец Джозеф и полу-русская полу-польская еврейка Наташа.

В возрасте пяти лет родители Катерины расстались.

Свою актерскую карьеру Катерина начала в возрасте восьми лет с комедии «Ловушка для родителей» (1998) с Линдсей Лохан.

На протяжении следующих шести лет Катерина Грэхэм снималась в различных рекламных роликах, в том числе для Барби, K-Mart, Pop Tarts, и Эдисон.

В 2002 году началась музыкальная карьера Катерины, после того, как ее сингл «Derailed» прозвучал в картине под таким же названием с Жаном-Клодом Ван Даммом в главной роли.

В 2004 году Катерина появилась в комедии «Каникулы Джонсонов», а в 2007 и 2008 годах в телефильмах «Ад на Земле» и «Наше первое Рождество», соответственно.

В том же 2007 году Грэхэм вместе с рэпером will.i.am записала песни «The Donque Song» и «I Got It From My Mama», которые вошли в его третий студийный альбом «Songs About Girls».

Затем последовали роли в картинах «Папе снова 17» (2009) с Заком Эфроном, «Соседка по комнате» (2011) с Лейтон Мистер и «Лапочка 2: Город танца» (2011), где она сыграла главную роль.

Наибольшую известность Катерине принесла роль Бонни Беннет в сериале «Дневники вампира», которую она начала исполнять в 2009 году.

В октябре 2010 года она выпустила свой дебютный сольный сингл под названием «Sassy», а в марте 2011 года презентовала второй сингл «I Want It All»

В 2012 году с ее участием вышла фантастическая драма «Boogie Town».

В том же 2012 году Катерина выпустила синглы «Put Your Graffiti On Me» и «Wanna Say», которые после релиза занимали 5 и 25 места в чарте Hot Dance Club Songs, соответственно.

В 2014 году Катерине досталась главная роль в триллере «Зависимый».