Кейт Мара родилась 27 февраля 1983 года в городе Бедфорд, штат Нью-Йорк, в семье Криса Мары, селекционера в футбольном клубе «Нью-Йорк Джайентс», и его жены Кэтлин (в девичестве Руни). У Кейт есть старший брат Дэниел и две сестры, Конор и Руни, последняя также является актрисой.

В детстве Кейт, посмотрев постановку «Отверженных», загорелась желанием стать актрисой и полюбила Бродвей и мюзиклы. Особенно нравились ей фильмы с Джуди Гарленд. В девять лет Мара начала играть в школьных постановках и в общественном театре, посещала несколько актёрских школ. В интервью журналу Esquire Кейт призналась, что была очень застенчивой в детстве, и имела лишь одну подругу и некомфортно чувствовала себя в окружении большого количества людей.

В 14 лет Мара подписала контракт с актёрским агентством и стала профессиональной актрисой. Она окончила старшую школу Фокс Лейн на год раньше и была принята в школу искусств Тиш при Нью-Йоркском университете, но из-за занятости в качестве актрисы три года откладывала поступление в колледж.

Кейт Мара дебютировала на телевидении в 1997 году в эпизоде восьмого сезона детективного сериала «Закон и порядок». Её дебют на большом экране состоялся в 1999 году в фильме Сидни Поллака «Паутина лжи» с Харрисоном Фордом в главной роли. В начале своей карьеры Кейт Мара играла преимущественно эпизодические роли в телесериалах, таких как «Закон и порядок: Специальный корпус», «Мэдиган», «Эд», «Бостонская школа», «C.S.I.: Место преступления» и «C.S.I.: Место преступления Майами». В 2003 году Мара дебютировала в театральной постановке, в следующие годы она играла на сценах театров Нью-Йорка и Лос-Анджелеса.

В 2005 году вышел малобюджетный фильм ужасов «Городские легенды 3: Кровавая Мэри», в котором Кейт сыграла свою первую главную роль. В этом фильме состоялся кинодебют младшей сестры Кейт, Руни. В том же 2005 году вышла драма Энга Ли «Горбатая гора», в котором она сыграла небольшую роль повзрослевшей дочери героя Хита Леджера, принесшую ей некоторую известность, поскольку фильм был хорошо встречен зрителями и критиками, получил множество наград и был номинирован на премию «Оскар».

В начале 2006 года Мара подписала контракт с известным актёрским агентством William Morris Endeavor, тогда же Нью-Йоркская газета Daily News включила Кейт в свой ежегодный список 10 наиболее многообещающих молодых актёров Америки. В семейной комедии «Капитан Зум» с Тимом Алленом и Кортни Кокс в главных ролях Мара исполнила роль девочки-подростка, владеющей телекинезом, в фильме «Мы — одна команда», рассказывающем о реальной истории — гибели в авиакатастрофе 75 игроков и тренеров команды американского футбола Университета Маршалла г. Хантингтон (штат Западная Виргиния) в 1970 году и трудностях формирования новой команды. Кейт сыграла роль невесты погибшего футболиста.

В 2007 году Мара снялась в молодёжной комедии «Правда и ничего кроме…» и остросюжетном фильме «Стрелок» с Марком Уолбергом в главной роли. В триллере 2008 года «Транссибирский экспресс», в котором главные роли исполнили Бен Кингсли и Вуди Харрельсон, Кейт сыграла немногословную двадцатилетнюю девушку, сбежавшую из дома. Для роли в другом фильме 2008 года, приключенческой ленте «Камень судьбы», повествующей о реальном случае похищения Скунского камня четырьмя студентами в 1950 году, Мара сыграла студентку Университета Глазго. По её словам ей было очень сложно добиться шотландского акцента, но у неё это получилось.

28 августа 2009 года вышел на экраны фильм «Открытая дорога», в котором Кейт Мара сыграла роль девушки героя Джастина Тимберлейка, играющего главную роль. В седьмом сезоне популярного телесериала «Красавцы» Мара будет играть роль Бриттани, ассистента «И», одного из главных героев сериала. В фильме «Железный человек 2», который вишел в мае 2010 года, Кейт также сыграла роль второго плана.

Семья Кейт Мары владеет футбольными клубами «Нью-Йорк Джайентс» и «Питсбург Стилерз», её прадеды, Тим Мара (со стороны отца) и Арт Руни (со стороны матери), являлись основателями этих клубов. Джон Мара, дядя Кейт, в настоящее время является совладельцем и президентом клуба «Нью-Йорк Джайентс», а её отец занимает в клубе должность вице-президента.