D'abord portée vers les arts et l'économie, Cate Blanchett se destine finalement à des études de théâtre dont elle ressort diplômée en 1992. Elle commence alors une carrière de comédienne, oscillant entre le théâtre et la télévision et recueillant un succès public et critique en Australie. En 1997, le réalisateur Bruce Beresford lui propose son premier rôle important dans la superproduction Paradise road, mais c'est avec Elizabeth, dont elle tient la vedette, que le public international la découvre véritablement. Sa brillante prestation de la reine d'Angleterre lui vaut le Golden Globe de la meilleure actrice ainsi qu'une nomination aux Oscars en 1999. Huit ans plus tard, Cate Blanchett tiendra à nouveau ce rôle pour Elizabeth : l'âge d'or, le second opus de cette fresque historique.

Entre-temps, elle tourne la comédie Les Aiguilleurs (2000) et fait ainsi la rencontre de Billy Bob Thornton, acteur à qui elle donnera encore la réplique dans Bandits (2002). A l'affiche du Talentueux M. Ripley (2000) et de The Man who cried (2001), la comédienne intègre le prestigieux casting de la trilogie du Seigneur des anneaux : sa beauté diaphane et sa douceur lui permettent d'incarner l'elfe Galadriel. Dans un registre différent, elle interprète, aux côtés de Giovanni Ribisi, une diseuse de bonne aventure dans le thriller surnaturel Intuitions de Sam Raimi. Cate Blanchett retrouvera cet acteur dans le drame sentimental Heaven (2003).

Aimant camper des femmes à poigne comme dans le western Les Disparues (2003), elle s'attribue des personnages ayant réellement existé comme la journaliste irlandaise Veronica Guerin, et la comédienne Katharine Hepburn dans la fresque Aviator (2004). Le biopic de Martin Scorsese lui vaut l'Oscar du meilleur second rôle féminin. Souvent associée à un cinéma hollywoodien de qualité, elle tourne également sous la direction de réalisateurs aussi talentueux que Wes Anderson (La Vie aquatique, 2005), Alejandro González Inárritu (Babel, 2006), Steven Soderbergh (The Good German, 2007) et Todd Haynes (I'm Not There, id.), ce qui lui permettra de décrocher une nouvelle nomination à l'Oscar du Meilleur Second Rôle Féminin.

En 2008, après s'être glissée dans la peau de plusieurs légendes (Elizabeth I, Katharine Hepburn, Bob Dylan), Cate Blanchett en affronte une autre, Indiana Jones, en incarnant la terrible Irina Spalko dans Indiana Jones et le Royaume du Crâne de Cristal. Elle retrouve ensuite un Brad Pitt en plein rajeunissement dans L'étrange histoire de Benjamin Button de David Fincher puis son compatriote Russell Crowe dans le Robin des Bois de Ridley Scott. À partir de 2012, elle incarne de nouveau l'elfe Galadriel dans la seconde trilogie de Peter Jackson, inspirée du roman de J.R.R. Tolkien, Bilbo le Hobbit.

En 2013, en plus du second volet du Hobbit, la comédienne à la beauté froide joue pour la première fois sous la direction du réalisateur Woody Allen, dans la comédie dramatique Blue Jasmine. Sa performance de femme paumée et névrosée après l'échec de son mariage lui permet de décrocher l'Oscar de la meilleure actrice. L'année suivante, elle rejoint le casting de The Monuments Men, film de et avec George Clooney, dans lequel un groupe d'individus venant de 13 pays différents se lance à la recherche des oeuvres d'arts volées par les nazis pendant la Seconde Guerre mondiale.

Après, Le Hobbit : La bataille des cinq armées, troisième et dernier volet de la lucrative saga d'heroic fantasy, Cate Blanchett retrouve Todd Haynes pour Carol dans lequel elle incarne le rôle-titre, celui d'une femme séduisante prisonnière d'un mariage peu heureux qui tombe amoureuse du personnage de Rooney Mara. À l'aise dans tous les registres, la comédienne collabore aussi à deux reprises avec Terence Malick pour les besoins de Knight of Cups (2015) et Song to Song (2017) tout en affichant un certain engouement à jouer les méchantes dans les blockbusters Cendrillon (2015) et Thor: Ragnarok (2017).

L'actrice, qui n'a plus rien à prouver, enchaîne les projets familiaux (La Prophétie de l'horloge, Dragons 3 : Le monde caché) et grand public (Ocean's 8, spin-off féminin de la saga portée par Brad Pitt et George Clooney ; la comédie catastrophe Don’t Look Up: Déni cosmique sur Netflix), tout en veillant à tourner avec des réalisateurs réputés, tels que Richard Linklater (Bernadette a disparu) et Guillermo del Toro (le film noir Nightmare Alley). 

Les années 2020 sont l'occasion pour elle de s'essayer au format télévisé. Elle est au générique de Mrs. America, une mini-série située dans les années 70 sur les débuts du féminisme aux États-Unis. Blanchett interprète une activiste conservatrice qui s'attaque aux libertés et aux droits des femmes et remporte l'Emmy Award de la meilleure actrice. 

En 2022, l'actrice est nommée pour la huitième fois aux Oscars (dont 5 dans la catégorie "Meilleure actrice) grâce à Tár. L'Australienne livre une composition impériale dans le rôle d'une cheffe avant-gardiste d’un grand orchestre symphonique allemand, et obtient le BAFTA et le Golden Globe de la meilleure actrice.