Épouse de l'acteur Michael Douglas.

Après des débuts amateurs comme danseuse et chanteuse, Catherine Zeta-Jones se tourne à titre professionnel vers le théâtre. Elle débute ensuite au cinéma grâce à Philippe de Broca qui la repère sur scène, alors qu'elle n'a que 18 ans, et la choisit pour tenir le rôle de la somptueuse Shéhérazade de ses Mille et une nuits (1990). C'est toutefois grâce à une série télévisée britannique, Darling buds of May, qu'elle devient en 1991 une actrice renommée.

Elle enchaîne plusieurs seconds rôles (dont Le Fantôme du Bengale en 1996) avant d'être remarquée dans une mini-série télévisée (retraçant la tragédie du Titanic) par Steven Spielberg. Celui-ci, alors en phase de pré-production du Masque de Zorro (1998), l'engage à donner la réplique à Antonio Banderas et Anthony Hopkins dans le film d'aventure signé Martin Campbell. Une semaine plus tard, Catherine Zeta-Jones interprète le rôle qui lance véritablement sa carrière, celui de la fille battante et fière de Don Diego De La Vega. Sa performance lui ouvre les portes de films à gros budget : séduisante cambrioleuse dans Haute voltige (2000), elle joue une actrice pleine d'assurance en proie aux fantômes d'Hantise (1999).

Après avoir tourné sous la direction de Stephen Frears dans High fidelity (2000), Catherine Zeta-Jones montre sa capacité à incarner avec aisance des personnages particulièrement antipathiques : la femme d'un baron de la drogue en mal d'argent dans Traffic (qui lui vaut sa première citation aux Golden Globes), une actrice de cinéma capricieuse dans Couple de stars (2001), une artiste amorale prête à tout pour réussir dans la comédie musicale Chicago (2002) ou encore une cupide et riche femme divorcée dans Intolérable cruauté (2003) des frères Coen.

En 2004, elle se retrouve devant la caméra de Steven Spielberg pour donner la réplique à Tom Hanks dans Le Terminal. Elle rejoint ensuite le casting pléthorique d'Ocean's 12 avant de retrouver, l'année suivante, le rôle de la belle Elena dans la suite des aventures du justicier masqué, La Légende de Zorro, toujours aux côtés d'Antonio Banderas. Mais cette fois-ci, le succès n'est pas au rendez-vous. Elle revient plus tard à la comédie romantique avec Le Goût de la vie (2007) et Mon babysitter (2009), dans lequel elle interprète une femme divorcée, séduite par un jeune homme de vingt ans son cadet (campé par Justin Bartha).

Après être tombée sous le charme de Gerard Butler dans Playing For Keeps, Catherine Zeta-Jones continue de privilégier le divertissement grand public : elle donne de la voix dans Rock Forever (2012), puis rejoint la même année Stephen Frears dans le très mal reçu Lady Vegas - Les Mémoires d'une joueuse, où elle joue la femme d'un parieur professionnel interprété par Bruce Willis. Plus que jamais sublime, l'actrice revient également vers le thriller avec Effets secondaires (2013), sa troisième collaboration avec Steven Soderbergh, et Broken City (id.), dans le rôle de la femme adultère du maire de New York, incarné par Russell Crowe.

Toujours en 2013, une année décidément très chargée pour la comédienne, Catherine Zeta-Jones retrouve Bruce Willis pour les besoins de la comédie d'action Red 2.