Catherine Breillat est dès son plus jeune âge passionnée de littérature. En 1964, elle débarque à Paris accompagnée de son actrice de soeur Marie-Helene. Un an plus tard alors qu'elle n'a que 17 ans, elle publie son premier roman L'homme facile, celui-ci est aussitôt interdit au moins de 18 ans. Elle enchaîne avec trois livres : Le silence, après..., la pièce de théâtre en alexandrins Les vêtements de mer, puis un troisième roman intitulé Le soupirail. Parallèlement, elle apparaît au cinéma en tant qu'actrice où elle donne la réplique à sa soeur, notamment dans Le Dernier Tango à Paris de Bernardo Bertolucci.

En 1976 Catherine Breillat fait la rencontre d'André Génovès, un producteur qui cherche à monter un film érotique sous caution littéraire. Il lui propose alors d'adapter son dernier livre Le soupirail, qui deviendra au cinéma Une vraie jeune fille, celui-ci traite de l'éveil à la sexualité d'une adolescente. Le film fait scandale et ne sortira finalement sur grand écran qu'en 2000. La réalisatrice, scénariste et romancière continue sur sa lancée avec Tapage nocturne sorti en 1979, dans lequel jouent Dominique Laffin et Marie-Helene Breillat.

La sulfureuse romancière écrit les scénarios de ses films mais écrit également pour d'autres réalisateurs, notamment Federico Fellini avec qui elle planche sur le scénario de Et vogue le navire en 1984 ou Maurice Pialat et son Police dont elle écrit l'histoire en 1985. De 1979 à 1988, Catherine Breillat se consacre exclusivement à l'écriture.

En 1988 elle revient à la réalisation avec l'adaptation d'un autre de ses romans, 36 fillette, puis en 1991 avec Sale comme un ange, un scénario refusé par Maurice Pialat. Appréciée par la critique mais peu connue du grand public la réalisatrice accède au succès en 1996 avec Parfait amour !. En 1999, le film Romance créer la polémique, la présence de Rocco Siffredi au casting réduisant encore la frontière entre le cinéma de Breillat et la pornographie.

En 2004, la réalisatrice renouvelle l'expérience avec Anatomie de l'enfer adapté de son roman Pornocratie avant d'être victime, la même année, d'une attaque cérébrale qui la laisse à demi-paralysée. Après 5 mois d'hospitalisation et une lente rééducation, Catherine Breillat se remet au travail. Son film Une vieille maîtresse, avec Asia Argento, est le film le plus cher qu'elle ait jamais réalisé mais également son premier film en costume. En 2007 la consécration semble arriver puisqu'Une vieille maîtresse est présenté en Compétition à Cannes.

Deux ans plus tard, Catherine signe le téléfilm Barbe bleue, adaptation de la célèbre et terrifiante histoire de Charles Perrault. En 2010, elle livre un autre téléfilm, inspiré du conte La Belle au bois dormant cette fois : La Belle Endormie. Elle revient ensuite à nouveau au cinéma avec Abus de faiblesse (2013), un drame autobiographique où elle raconte comment elle a été escroquée par Christophe Rocancourt. Le film est porté par Isabelle Huppert et Kool Shen. Dix ans après, la cinéaste présente à Cannes L'Eté dernier, dans lequel une avocate a une liaison avec le fils de 17 ans de son compagnon.

En août 2024, Catherine Breillat est accusée par Caroline Ducey d'avoir forcé les acteurs de Romance à tourner des scènes de sexe non simulées, ce qui aurait conduit l'acteur Reza Habouhossein à violer la jeune comédienne lors d'une scène intitulée "L'inconnu de l'escalier". La réalisatrice dément catégoriquement et annonce vouloir porter plainte pour diffamation.