Katharine Ross fait ses débuts à la télévision dans des séries télévisées telles Gunsmoke et The big valley alors qu'elle n'a que 11 ans. Ce n'est que plus tard, à la fin de ses études, qu'elle s'intéresse au théâtre en intégrant la troupe San Francisco Workshop avec laquelle elle part en tournée pendant 3 ans. Elle joue du Beckett, Ionesco, Ibsen, Tchekhov et Shakespeare.

En 1962, elle reprend sa carrière sur petit écran avec d'autres séries telles que Sam Benedict, Le virginien ou encore The Alfred Hitchcock Hour. Trois ans plus tard elle participe à son premier long métrage, Dominique (1965) de Henry Koster avec Debbie Reynolds. Deux plus tard, elle tourne dans le film qui la révèle au monde entier : Le Laureat de Mike Nichols avec Dustin Hoffman.

Sa carrière démarre enfin. Elle est au centre du duo Robert Redford/Paul Newman dans Butch Cassidy et le Kid (1969). Elle retrouve Redford dans un autre western, Willie Boy (1969), puis connaît une période un peu difficile durant les années 70.

Elle tourne moins et se dirige vers la télévision en s'octroyant parfois le temps de jouer dans des films de genre comme The Stepford wives (1975), L'Inévitable catastrophe (1978) et Meurtres en direct (1982). Pendant près de 20 ans, elle joue principalement dans des séries et des téléfilms avant de faire un retour remarqué au cinéma dans le film fantastique Donnie Darko (2001).