Après une enfance passée en Seine-et-Marne, Catherine Corsini monte à Paris à 18 ans pour devenir comédienne. Elève d'Antoine Vitez et Michel Bouquet au Conservatoire, elle se découvre peu à peu un goût pour l'écriture et devient scénariste tout en réalisant quelques courts métrages en en travaillant pour le théâtre.

En 1987, Catherine Corsini signe son premier long métrage, Poker, un film noir avec Caroline Cellier. Elle travaille ensuite pour le petit écran, réalisant notamment le très remarqué Interdit d'amour, avec Nathalie Richard en mère violente. L'actrice est l'héroïne de son deuxième long Les Amoureux, subtile étude d'une relation frère/soeur dans une ville de province étouffante. La critique salue la justesse de ton de cette chronique présentée à Cannes dans la section Cinémas en France en 1994. Pour son troisième opus, La Nouvelle Eve, Catherine Corsini s'essaie avec bonheur à un registre plus léger. Portrait d'une trentenaire tout feu tout flamme, cette comédie tonique, que Karin Viard traverse comme un ouragan, est l'un des succès-surprises de 1999.

De beaux personnages de femmes sont encore au coeur de son film suivant, La Répétition, qui relate une trouble histoire d'amitié entre Emmanuelle Béart et Pascale Bussières. Après cette oeuvre sombre, présentée à Cannes en 2001, la cinéaste revient à la comédie, en enchaînant le macabre Mariées mais pas trop, avec Jane Birkin en mamie flingueuse, puis Les Ambitieux (2007), une fable cruelle mais pas trop, qui marque ses retrouvailles avec Karin Viard, dans le rôle d'une éditrice sans scrupules. C'est pour une autre grande actrice, Kristin Scott Thomas qu'elle écrit son septième long métrage, Partir (2009), portrait d'une femme prête à tout quitter par amour.

En 2012, Corsini met en scène Trois mondes, un film mélangeant les codes du thriller et du drame, où le personnage incarné par Raphaël Personnaz se retrouve confronté à un profond dilemme moral et humain. Après quoi, elle réalise une fiction en partie autobiographique, La Belle Saison, une histoire d'amour passionnée entre Cécile De France et Izïa Higelin dans un cadre solaire, ayant pour toile de fond les années 70 et la lutte féministe.