Catherine McCormack étudie à la Oxford School of Drama et se produit dans des pièces comme The Cherry orchard, Arabian nights et Betrayal. Diplômée en 1993, elle apparaît pour la première fois à la télévision dans des épisodes des séries Wycliffe et Strawberry Vale et au cinéma dans Loaded (1994), un drame d'Anna Campion. Mais elle est révélée au grand public grâce à Braveheart de Mel Gibson, Oscar du meilleur film 1995. Dans le rôle de la femme assassinée par des soldats Anglais, la comédienne crève l'écran.

Catherine McCormack s'illustre alors dans différents genres : le film d'aventure avec Grand Nord (1995) de Nils Gaup, la comédie dramatique avec Trois Anglaises en campagne de David Leland, le film historique avec La Courtisane (1998) de Marshall Herskovitz, la comédie romantique avec Mariage à l'anglaise (1999) de David Kane, le film fantastique avec L'Ombre du vampire (2000) d'E. Elias Merhige, le thriller avec The Weight of the water (2000) de Kathryn Bigelow et le film d'espionnage avec The Tailor of Panama (2001) de John Boorman.

En 2002, elle partage l'affiche de Spy game avec Robert Redford et Brad Pitt. Assez rare sur grand écran malgré des apparitions dans Un coup de tonnerre (2005), 28 semaines plus tard (2007) ou encore Magic in the Moonlight (2014), Catherine McCormack est parallèlement présente sur le petit écran via des rôles plus ou moins importants dans les séries Midnight Man, Lights Out et Genius. En 2016, la comédienne incarne Kate Elgar dans The Journey et prend part un an plus tard à la grosse production française La Promesse de l'aube emmenée par Pierre Niney.