Кэтрин Уинник (при рождении Екатерина Анна Винницкая) родилась 17 декабря 1977 года в канадском городе Этобико, в семье выходцев из Украины. Кроме нее в семье выросла еще одна дочь – Дария, и два сына – Маркиян и Адам.

Училась Кэтрин в воскресной школе имени Цьопы Палиив, во время учебы в которой была членом украинской скаутской организации «Пласт», а также с семи увлекалась восточными единоборствами, среди которых каратэ и тхэквондо. После школы участвовала в Чемпионате Канады по тхэквондо, где завоевала серебряную медаль.

В возрасте 21 года Уинник записалась на курсы актерского мастерства в студию Уильяма Эспера в Нью-Йорке.

В 1999 году Кэтрин впервые появилась на телеэкранах, сыграв эпизодическую роль в сериале «Пси Фактор: Хроники паранормальных явлений». В том же году она снялась в пяти эпизода последнего сезона канадского сериала «Студенческая жизнь».

В 2001 году актриса впервые появилась на большом экране, ей досталась главная женская роль в американском фильме ужасов «Биологически опасный».

В 2002 году она исполнила небольшую роль в мелодраме «Любовь с уведомлением», главные роли в которой исполнили Сандра Буллок и Хью Грант. В том же году Кэтрин снялась в короткометражном фильме «Daddy's Little Girl», за которую удостоилась премии Short Film Award в категории «Лучшая актриса».

В 2003 году Уинник исполнила второстепенную роль в независимой криминальной драме «Как дела, Алиса?», а в 2004 году появилась на киноэкранах вместе с Адамом Сэндлером и Дрю Бэрримор в комедии «50 первых поцелуев».

В 2005 году Кэтрин исполнила роль Иваны Трамп в телевизионном биографическом фильме «Амбициозный Трамп».

В 2006 году с ее участием вышло четыре картины – «Облако 9», «Любовь и прочие неприятности», «Поцелуй меня» и «13 могил».

В 2007 году Кэтрин исполнила главную роль в триллере «Точка перелома», а также появилась в драме «Когда Ницше плакал», экранизации одноименного романа Ирвина Ялома.

В том же 2007 году актриса появилась в одном из эпизодов сериала «Доктор Хаус».

В 2008 году ей досталась роль второго плана в комедии «Замерзшие души», а также главные роли в нескольких эпизодах сериалов «Закон и порядок» и «Закон и порядок: Преступное намерение».

В 2010 году с Кэтрин в главной роли вышел фантастический фильм «Свободное радио Альбемута», а также ей досталась второстепенная роль в триллере «Киллеры», где она снялась вместе с голливудскими звездами - Эштоном Кутчером, Кэтрин Хайгл и Томом Селлеком.

В 2011 году Уинник появилась в главной роли в фильме ужасов «Выбор киллера», а в 2012 году она снялась с метрами кинематографа - Аль Пачино, Кристофером Уокеном и Аланом Аркиным, в криминальной комедии «Реальные парни».

В 2012 ей досталась одна из главных ролей в комедии «Умопомрачительные фантазии Чарли Свона-третьего», а в 2013 году она исполнила роль подруги героя Курта Рассела в криминальной комедии «Черные метки».

В том же 2013 году Кэтрин приступила к исполнению роли Лагерты в канадско-ирландском сериале «Викинги». За эту роль актриса в 2014 году номинировалась на премию Gemini Awards как лучшая драматическая актриса.

В 2015 году актриса появилась в одном из эпизодов сериала «В поле зрения», а также получила главную роль в фантастическом фильме «Геошторм», выход которого ожидается в марте 2016 года. Также в картине получили роли Джерард Батлер, Эбби Корниш, Джим Стерджесс и Эд Харрис.