Родилась 25 сентября 1969 в городе Суонси (Уэльс). В детстве участвовала в любительских театральных постановках, в 14 лет была приглашена на прослушивание для участия в телешоу. В 1987 Кэтрин дебютировала в Лондоне в мюзикле «42-я улица». Через год ей предложили роль Шахерезады в фильме Филиппа Де Брока «1001 ночь». В 1991 Кэтрин снялась в телевизионном сериале «Милые бутоны мая», принёсшем ей ещё бо́льшую известность.

Дальнейшая карьера актрисы стремительно развивалась в Голливуде. В 2003 Зета-Джонс получила «Оскар» за роль второго плана в мюзикле «Чикаго». В родном Уэльсе Кэтрин основала собственную кинокомпанию «Милквуд филмз». Одна из заметных работ актрисы — роль в фильме «Легенда Зорро» (2005) с Антонио Бандерасом.
Кэтрин Зета-Джонс замужем за голливудским актером Майклом Дугласом. У них двое детей — сын Дилан Майкл Дуглас (2000) и дочь Кэрис Зета-Дуглас (2003).
Кэтрин Зета-Джонс и Майкл Дуглас родились в один день — 25 сентября с разницей в 25 лет.
Актриса свободно владеет уэльским языком.
Премии «Оскар»
2003 — Лучшая женская роль второго плана, за фильм «Чикаго»
Премии BAFTA
2003 — Лучшая женская роль второго плана, за фильм «Чикаго»