Catherine Quiniou, de son vrai nom, naît à Paris le 3 mai 1967. Très jeune, elle se passionne pour la comédie et prend des cours d’art dramatique dans le but de devenir actrice. C’est d’ailleurs la passion du jeu qui va lui faire rencontrer celui qui va devenir son mari et le père de ses enfants, l’acteur et réalisateur Olivier Marchal.

Tous deux se croisent au début des années 1990 sur scène, en travaillant sur la pièce Oncle Vania d’Anton Tchekhov. C’est le coup de foudre. Le couple accueille son premier enfant, Léa, en 1994 puis se marie l’année suivante. En 1998, naît leur seconde fille, Zoé.

C’est en 1999 que Catherine Marchal débute véritablement sa carrière de comédienne en jouant dans le court-métrage Un bon flic, réalisé par son mari. Très fusionnel, le couple se retrouve trois ans plus tard dans le premier long-métrage d’Olivier Marchal, Gangsters. L’actrice y interprète un second rôle aux côtés d’Anne Parillaud et Richard Anconina.

Tout en collaborant avec son époux qu’elle retrouve à plusieurs reprises dans les années 2000 (les films 36 Quai des Orfèvres et MR 73, la série Flics, le clip Beethoven de Michel Sardou…), Catherine Marchal apparaît également dans de nombreuses séries (Commissaire Moulin, Louis la brocante, Avocats & associés, Quai n°1, Navarro…).

Dans le même temps, la comédienne multiplie également les projets au théâtre (Les acteurs sont fatigués d’Eric Assous, Tout un cinéma d’Ivan Calbérac, Ce soir j’ovule de Carlotta Clerici…).

Au cinéma, Catherine Marchal commence à s’illustrer devant la caméra d’autres cinéastes, surtout dans les registres du polar et du thriller. En 2009, elle est ainsi à l’affiche des films Diamant 13 de Gilles Béhat et Mensch de Steve Suissa.

Les années qui suivent la voient s’essayer à plusieurs reprises à la mise en scène de spectacles (De Gros Dossiers de Matthieu Burnel, Un jour c’était la nuit d’Emmanuel Robert-Espalieu, Comment lui dire ? de Vilaine Arsac…).

En 2015, Catherine et Oliver Marchal divorcent après vingt ans d’union. Néanmoins, la comédienne continue de tourner dans différents projets de son mari (le film Bronx, la série Section zéro, le téléfilm Borderline…). En 2017, l’actrice incarne l’un des premiers rôles de la série On va s’aimer, un peu beaucoup… Pendant deux saisons, elle joue le rôle d’une avocate qui tente tant bien que mal de concilier vie professionnelle et vie privée.

Après un second rôle dans Slalom, le premier long-métrage remarqué de Charlène Favier en 2020, Catherine Marchal prend part cette année-là à un nouveau projet, celui du feuilleton quotidien Ici tout commence, diffusé sur TF1. Depuis le début de la série, la comédienne interprète le rôle de la cheffe Claire Guinot. En parallèle, l’actrice s’illustre également dans d’autres fictions comme la saga Brocéliande dans laquelle elle interprète le rôle d’Armelle Kermabon, aux côtés de Nolwenn Leroy et Marie-Anne Chazel.