C'est à l'adolescence que Kathleen Turner se lance dans la comédie, en prenant des cours dramatiques à Londres. De retour aux Etats-Unis, elle s'illustre aussi bien à Broadway que sur petit écran. En 1981, elle fait ses débuts au cinéma en décrochant le rôle féminin principal du thriller La Fièvre au corps, réalisé par Lawrence Kasdan.

L'année 1985 marque un tournant pour la comédienne, qui se révèle au grand public avec le film d'aventure A la poursuite du diamant vert, où elle donne la réplique à Michael Douglas. L'année suivante, elle s'illustre dans sa suite, Le Diamant du Nil, ainsi que dans L' Honneur des Prizzi, aux côtés de Jack Nicholson.

Kathleen Turner, désormais installée dans le paysage hollywoodien, se voit engagée par Francis Ford Coppola en 1986 pour tenir le rôle principal de Peggy Sue s'est mariée. Son interprétation lui vaut une nomination à l'Oscar. Elle retrouve ensuite Michael Douglas, lui livrant une guerre sans merci dans La Guerre des Rose.

L'actrice américaine figure notamment aux génériques de Moonlight et Valentino (1996) et Une vraie blonde (1997) puis incarne deux rôles de mère diamétralement opposés : mère tueuse pour le Serial Mother de John Waters et mère modèle dans le Virgin suicides de Sofia Coppola.

Les années 2000 sont marquées par un passage côté télévision. Kathleen Turner apparaît dans de multiples séries à succès comme le cultissime Friends, où elle prête ses traits au père travesti de Chandler (Matthew Perry), et surtout la série Californication, dans le rôle de Sue Collini, la patronne nymphomane de Charlie (Evan Handler), l'agent et meilleur ami de Hank (David Duchovny).

Elle revient sur le devant de la scène cinématographique en 2008, avec la comédie Marley et Moi, emmenée par le couple Owen Wilson et Jennifer Aniston. En 2014, elle fait partie du casting de la suite très attendue de l'hilarant Dumb and Dumber.