Dès son adolescence, Katrin Cartlidge se passionne pour le théâtre et rejoint le Royal Court Youth Theater. Elle travaille dans des théâtres à Londres et à Edimbourg, puis décroche un rôle dans un célèbre soap opera de Channel Four, Brookside. Elle apparaît pour la première fois au cinéma en 1985 dans Sacred Hearts de Barbara Rennie.

En 1993, son rôle dans Naked de Mike Leigh lui ouvre les portes de la reconnaissance critique. Cette prestation marque également le début d'une collaboration régulière avec le réalisateur, pour qui elle jouera dans Deux filles d'aujourd'hui (1997) et Topsy-Turvy (1999). Katrin Cartlidge, faisant montre d'un réel souci de qualité, se distingue dans des oeuvres ambitieuses telles que Breaking the waves (1996, Lars von Trier) et Claire Dolan (1998, Lodge H. Kerrigan).

Après presque deux décennies passées à tourner en Grande-Bretagne, elle tente en 2000 une expérience américaine, en s'illustrant dans Le Poids de l'eau de Kathryn Bigelow, puis dans From Hell de Albert et Allen Hughes, film fantastique retraçant les meurtres de Jack l'Eventreur. Elle tient enfin le rôle d'une reporter de télévision dans No Man's Land de Danis Tanovic, lauréat de l'Oscar du Meilleur film étranger en 2002. Elle doit ensuite retrouver Lars von Trier pour Dogville, mais elle disparaît avant le début tournage, le 7 septembre 2002, à l'âge de 41 ans.