Après des études au Conservatoire National Supérieur d'Art Dramatique, Catherine Samie entre pour la première fois, en septembre 1956, à la Comédie Française pour le rôle de Dame Claude, dans L'Avare de Molière. Elle enchaîne ensuite les pièces, jouant dans de nombreux classiques (Marivaux, Victor Hugo, Shakespeare...) dirigée, très souvent, par le metteur en scène Jean Meyer, avec qui elle collabore une dizaine de fois. En 1962, Catherine Samie devient la 438ème sociétaire de la troupe de la Comédie Française, avant d'être promue sociétaire honoraire en janvier 2007. Cette doyenne du théâtre français participe à plus de 130 mises en scène de la prestigieuse institution. En 2000, elle est dirigée par Frederick Wiseman, cinéaste américain qui s'essaye au théâtre, en mettant en scène La Dernière Lettre, oeuvre écrite par Vassili Grossman, que Wiseman adapte à l'écran deux ans plus tard. La dernière performance de Catherine date de 2005, dans une pièce de Samuel Beckett, Oh, les beaux jours, toujours mit en scène par Frederick Wiseman.

Elle débute sa carrière au cinéma, en 1957, avec un petit rôle dans Pot-Bouille, un film de Julien Duvivier, d'après Zola, avec Gérard Philipe en vedette. Catherine Samie ne revient pas sur les écrans avant la fin des années 60, préférant se concentrer sur sa carrière théâtrale. En 1967, elle tourne un sketch, dans Le Plus vieux métier du monde, sous la direction de Philippe de Broca, dans lequel elle côtoie Jean-Claude Brialy et Jeanne Moreau. Toujours pour des rôles secondaires, Catherine joue sous la direction de Michel Audiard, dans Elle boit pas, elle fume pas, elle drague pas, mais... elle cause ! en 1970, et Elle cause plus, elle flingue, deux ans plus tard. Années après années, Catherine apparaît peu au cinéma, car c'est au théâtre qu'elle s'investit le plus. Enfin, en 2002, le cinéaste Frederick Wiseman lui offre la tête d'affiche dans La Dernière lettre, un drame dans lequel elle joue une mère, enfermée dans le ghetto de Varsovie, qui écrit à son fils. On a pu également la voir dans Victoire, en psychanalyste de Sylvie Testud, jeune actrice qu'elle retrouve en 2008 dans Mange, ceci est mon corps, de l'haïtien Michelange Quay.