Fille d'un cadre dans une entreprise automobile et d'une mère au foyer, Kate Bosworth passe son enfance à déménager. Passionnée d'équitation, elle se rend, à l'âge de 14 ans, au casting de L'Homme qui murmurait a l'oreille des chevaux, et obtient le rôle de Judith, la meilleure amie de Scarlett Johansson. Après cette première expérience cinématographique, la jeune actrice décide de continuer ses études. Pourtant, en 2000, alors qu'elle est acceptée à la prestigieuse Université de Princeton, elle s'installe à Los Angeles et reprend le chemin des studios. Elle apparaît bientôt aux côtés de Denzel Washington dans Le Plus beau des combats.

En 2002, Kate Bosworth se voit confier le premier rôle de Blue Crush, romance sur fond de surf alliant love-story et prouesses sportives dans laquelle elle donne la réplique à Michelle Rodriguez. Succès surprise, le film engrange plus de 40 millions de dollars au box-office américain, propulsant la comédienne au statut d'actrice montante d'Hollywood. Kate Bosworth s'essaye ensuite à des rôles plus audacieux, étudiante droguée et désabusée dans Les Lois de l'attraction de Roger Avary ou petite amie d'une star du porno dans Wonderland.

Aussi à l'aise dans les comédies pour adolescents (Rendez-vous avec une star) que dans les drames (Les Mots retrouvés), elle tourne sous la direction de Kevin Spacey pour sa seconde réalisation, Beyond the Sea, une évocation de la vie du chanteur Bobby Darin. Enthousiasmé par sa prestation, le comédien parle alors d'elle aux producteurs de Superman Returns, qui la choisissent pour incarner Loïs Lane dans la nouvelle adaptation-événement du célèbre comic book signée Bryan Singer.

Deux années plus tard, en 2008, elle revient sur les écrans aux côtés de Kevin Spacey dans Las Vegas 21, où des étudiants comptent les cartes au blackjack. Devenue égérie des jeans Calvin Klein et des sacs Coach (en Asie), la native de Los Angeles apparait dans plusieurs films relativement méconnus en France : l'action avec The Warrior's Way, le thriller avec Chiens de paille ou encore la comédie avec 3 colocs et 1 bébé. En 2012, elle livre l'une de ses plus belles performances. A l'affiche d'Another Happy Day, elle campe Alice, une jeune fille anorexique pratiquant l'automutilation.

L'année suivante, l'actrice participe au film choral My Movie Project donnant ainsi la réplique à Richard Gere avant d'enchainer sur le brutal Homefront en incarnant Cassie, une mère droguée face à Jason Statham et James Franco.