Catherine Hiegel débute sa carrière sur les planches. Après le Conservatoire national supérieur d'art dramatique, elle intègre la Comédie-Française en 1969. Elle y travaille avec des metteurs en scène aussi variés que Philippe Adrien, Patrice Chéreau, Dario Fo, Joël Jouanneau, Jacques Lassalle, Jean-Paul Roussillon, Giorgio Strehler, etc. dans le répertoire classique et contemporain. Elle devient sociétaire de la Comédie-Française en 1976, et apparaît couramment dans les adaptations télévisuelles de célèbres pièces.

En 1986, elle fait ses premiers pas au cinéma dans L'Etat de grâce de Jacques Rouffio aux côtés de Nicole Garcia et Sami Frey. Mais c'est son interprétation d'une infirmière inquiétante avec Daniel Gélin dans La Vie est un long fleuve tranquille (1987) d'Etienne Chatiliez qui l'a révèle au grand public. Année où elle tourne également dans un long-métrage réalisé par Josiane Balasko, Les Keufs. Une collaboration qui est réitérée en 1991 avec Ma vie est un enfer. Catherine Hiegel s'investit dans des rôles au théâtre à la Comédie-Française et au Théâtre national de la Colline. Grande comédienne de théâtre, elle accepte également des rôles dans des fictions télévisuelles souvent historiques comme Une page d'amour d'Elie Chouraqui, Le Bourgeois gentilhomme de Pierre Badel, et La Confession d'un enfant du siècle de Claude Santelli.

En 1993, Jean-Jacques Zilbermann lui offre un rôle dans son premier long-métrage Tout le monde n'a pas eu la chance d'avoir des parents communistes. Elle collabore de nouveau avec le cinéaste dans L'Homme est une femme comme les autres (1998) après avoir retrouvé Josiane Balasko dans une comédie sur l'homosexualité, Gazon maudit (1995). Souvent choisie pour interpréter des rôles sombres, la comédienne est aux côtés de Claude Brasseur dans le touchant L'Autre côté de la mer de Dominique Cabrera. S'en suit un film policier, Hygiène de l'assassin, de Francois Ruggieri. En 2002, Bertrand Blier lui propose d'incarner La Mort dans Les Côtelettes où elle partage l'affiche avec Philippe Noiret et Michel Bouquet. La Vie est à nous ! (2005) lui permet de nouveau de retrouver Josiane Balasko dans une comédie dramatique, où elle interprète cette fois-ci la tenancière d'un café restaurant.

Après une apparition dans Michou d'Auber, aux côtés de Gérard Depardieu en 2007, elle est faite doyenne de la Comédie Française en 2008, après le décès de Christine Fersen. Malgré son âge, elle alterne pièces de théâtre, télévision et cinéma avec une vivacité rafraichissante, jouant à la fois dans Cliente (réalisé par son amie Josiane Balasko) ou le polar Secret Défense, que dans les nouvelles adaptations de Molière pour la télévision. Son art sur les planches est également reconnu, puisqu'en 2010 elle reçoit le Molière de la comédienne pour la pièce "La Mère", de Florian Zeller. L'année suivante, cette figure respectée du théâtre et du cinéma français reprend un nouveau petit rôle dans Un baiser papillon, avant d'avoir une partition plus conséquente dans le nouveau film de Bruno Podalydès, Adieu Berthe ou l'enterrement de mémé, sélectionné au Festival de Cannes 2012.