Après une licence de philosophie, Catherine Mouchet intègre le Conservatoire National Supérieur d'Art Dramatique, où elle suit les cours de Jacques Lassalle et Claude Régy. De 1979 à 1981, elle se produit sur scène au Théâtre de la Mie de Pain.

Elle enchaîne les pièces - Le Vaisseau fantôme (1982), Intermèdes (1983), Monsieur Vitrac (1984) et Intérieur (1985) -, avant de décrocher le rôle-titre de Thérèse, qui lui vaut le Prix du Jury du Festival de Cannes en 1986, le César du Meilleur Espoir Féminin (1987) et le Prix Romy Schneider (id.). Faisant quelques apparitions dans Si le soleil ne revenait pas (1987), Bonsoir (1994) et Fin août, début septembre (1998), elle retrouve un rôle marquant, celui de la secrétaire Lucie, dans Ma petite entreprise (1999) de Pierre Jolivet.

Faisant preuve d'une certaine discrétion, Catherine Mouchet devient une actrice incontournable au tournant des années 2000. Professeur de mathématiques dans Mortel transfert (2001) et comptable dans HS Hors Service (id.), elle incarne à deux reprises une prostituée dans Du côté des filles (id.) et Rue des plaisirs (2002). Elle excelle par ailleurs dans les rôles de confidente : Jean-Pierre Léaud, en réalisateur de films porno, se livre à elle dans Le Pornographe (2001), tandis qu'elle se fait le témoin des problèmes de coeur de Daniel Auteuil dans Petites coupures (2003) de Pascal Bonitzer.

Elle alterne par la suite les projets cinématographiques et téléfilms. On la voit ainsi à la télévision dans Nature contre nature de Lucas Belvaux en 2004 mais aussi dans Un jour d'été de Franck Guérin en 2006 ou encore plus récemment dans la série Pigalle, la nuit. Ce passage vers le petit écran ne l'empêche par d'apparaître au Cinéma puisqu'elle joue dans Elle est des nôtres en 2003. Elle partage par la suite deux fois l'affiche au côté de Benoît Poelvoorde dans Les Deux mondes et L'Autre Dumas sortie en 2010.