Fille de Judy Loe et de Richard Beckinsale, deux parents comédiens, Kate Beckinsale passe son enfance et son adolescence à Londres. Diplômée de la Godolphin and Latymer School, elle s'inscrit en 1991 aux cours de littérature française et russe de l'Université d'Oxford. La même année, Kate Beckinsale fait ses débuts de comédienne dans One Against the Wind, un téléfilm dont l'action se déroule durant la Seconde Guerre mondiale. Elle devra attendre 1993 pour décrocher son premier rôle au cinéma : celui de Hero, la jeune amoureuse naïve dans Beaucoup de bruit pour rien de Kenneth Branagh.

Parallèlement à ses études, elle joue dans le drame médiéval Le Prince de Jutland (1994) de Gabriel Axel et le thriller Uncovered (id.) de Jim McBride. Kate Beckinsale se tourne alors définitivement vers le métier d'actrice et apparaît en 1995 dans Marie-Louise ou la permission, un film français de Manuel Flèche. Elle continue dans sa lancée en donnant la réplique à Aidan Quinn dans le thriller Haunted (id.) de Lewis Gilbert et à Stuart Townsend dans la comédie romantique Shooting fish (1997) de Stefan Schwartz. Promise à un bel avenir, Kate Beckinsale s'installe aux Etats-Unis en 1998 et y tourne son premier film américain : Les Derniers jours du disco, une comédie dramatique de Whit Stillman avec Chloë Sevigny. Elle enchaîne alors avec Bangkok, aller simple (1999) de Jonathan Kaplan et La Coupe d'or (2000) de James Ivory.

En 2001, Kate Beckinsale connaît véritablement la gloire en partageant, avec Ben Affleck et Josh Hartnett, l'affiche de Pearl Harbor, une grosse production hollywoodienne de Michael Bay. Eprise de John Cusack dans Un amour à New York (id.), la belle, désormais actrice de tout premier plan, passe du statut de guerrière vampire dans Underworld (2003) à celui de traqueuse de Dracula dans Van Helsing (2004). Remarquée par Martin Scorsese, celui-ci lui confie le rôle de la comédienne Ava Gardner dans la fresque Aviator (2005). En 2006, l'actrice britannique retrouve le rôle de Sélène dans Underworld : evolution, toujours réalisé par Len Wiseman, avec qui elle est désormais mariée. Après avoir joué dans la comédie Click (2006) et le thriller Motel (2007), elle fait une courte apparition dans Underworld 3 : le soulèvement des Lycans (2009), puis tient le rôle principal dans le thriller glacial Whiteout (id.).

Après deux ans d'absence, durant lesquelles Kate Beckinsale a pu profiter de sa famille, tout en faisant un détour par Cannes en 2010 où elle était jurée sous la direction de Tim Burton, on la retrouve en 2012 dans plusieurs blockbusters. Ainsi, elle reprend, pour la quatrième fois, son rôle de vampire dans Underworld : Nouvelle ère avant d’être la femme de Mark Wahlberg puis celle de Colin Farrell, respectivement dans le très musclé Contrebande et le très attendu Total Recall Mémoires Programmées, remake du film culte de Paul Verhoeven. Les choix de carrière de la comédienne laissent ainsi clairement entrevoir à quel point le fantastique, la science-fiction et le thriller constituent ses genres de prédiction.

Après avoir goûté aux joies de la comédie (Absolutely Anything), du film d'époque (Love & Friendship) et de l'horreur (The Disappointments Room), la belle et athlétique Kate endosse à nouveau le costume de Selene pour les besoins de Underworld : Blood Wars, cinquième volet de la célèbre saga.