Peintre avant de se lancer dans l'aventure cinématographique, Kathryn Bigelow suit des cours au San Francisco Art Institute pendant deux ans puis reçoit une bourse du Whitney Museum de New York. Membre du collectif avant-gardiste Art and Language et diplômée de la Columbia Film School, la jeune femme réalise son premier long métrage en 1982, The Loveless, en collaboration avec Monty Montgomery.

Ce n'est que cinq ans plus tard que la cinéaste se fait remarquer avec Aux frontières de l'aube, une modernisation radicale du mythe du vampire dont elle signe elle-même le scénario. En 1990, Kathryn Bigelow poursuit avec le thriller policier Blue Steel et s'impose comme une référence du cinéma d'action avec Point Break, sorti en 1991. Après la réalisation de la mini-série Wild Palms, elle revient au cinéma avec le film d'anticipation Strange Days (1995), écrit par James Cameron, qui fut son époux de 1989 à 1991.

Cinq années passent avant qu'elle ne se tourne vers une intrigue plus intimiste avec Le Poids de l'eau, tourné en 2000. Mais le film ne sort en France qu'en juillet 2002, soit quasiment en même moment que K-19, Le Piège des profondeurs réalisé deux ans plus tard. Après ce long métrage, basé sur l'histoire vraie d'un sous-marin nucléaire soviétique en perdition, Kathryn Bigelow poursuit en 2009 dans le registre de la guerre avec Démineurs, suivant les militaires américains pendant leur seconde offensive en Irak.

Ce film marque la consécration de la réalisatrice qui reçoit six Oscars, dont ceux du meilleur film et du meilleur réalisateur (elle est, pour l'occasion, la première femme à obtenir les fameuses statuettes). Démineurs est également le film le plus acclamé et couronné de l'année 2010 avec pas moins de 75 prix internationaux. En 2012, la réalisatrice reste dans la thématique de la guerre et du Moyen-Orient avec Zero Dark Thirty. Pour cela, elle s’associe de nouveau avec le scénariste Mark Boal (oscarisé pour Démineurs) et s'attaque à un sujet des plus ambitieux : la traque d'Oussama Ben Laden par une unité des forces spéciales américaines...

5 ans plus tard, toujours en collaboration avec Mark Boal pour le scénario, la cinéaste met en scène Detroit. Le film se focalise sur les émeutes meurtrières ayant eu lieu dans cette ville du Michigan durant l'été 1967.