Кэйт Ноэль Холмс родилась 18 декабря 1978 года в городе Толидо, штат Огайо, . Кэти стала пятым ребенком в семье адвоката по бракоразводным процессам Мартина Джозефа Холмса и домохозяйки, филантропа Кэтлин Стонерс. Девочку воспитывали в католических традициях, она училась в школе для девочек Нотр-Дам.
Первое сценическое выступление Холмс состоялось в рамках мюзикла «Hello, Dolly» в соседней мужской гимназии Сент-Джонс. В четырнадцать лет будущая актриса начала посещать школу моделей в родном городе, а в 1996 году представляла свое агентство на международном конкурсе красоты и таланта в Нью-Йорке. Там же ее заметили и предложили роль Либбетс Кейси в фильме «Ледяной ветер». Через год красавицу пригласили в популярный телесериал «Баффи - истребительница вампиров», но Кэти решила достойно окончить школу и отказалась от съемок. Впрочем, уже через год девушка наверстала упущенное и прошла пробы в молодежный телесериал «Бухта Доусона» на роль Джои Поттер, лучшей подруги главного героя.
Вскоре Кэти стала студенткой Колумбийского университета. Паралелльно со съемками в телесериале Холмс еще успевала работать в полнометражных проектах. В 1999 году 21-летняя Кэти получила премию канала «MTV» - «Женский прорыв года» - за работу в фильме «Непристойное поведение». Вскоре она появилась на обложках глянцевых изданий Seventeen, TV Guide и Rolling Stone. Кэти Холмс снялась в 128 эпизодах сериала «Бухта Доусона». В 2003 году съемки в проекте закончились.
Другие картины хоть и не имели оглушительного успеха, но закрепили популярность Холмс - «Экстази», «Убить миссис Тингл», «Вундеркинды», «Дар», «Покинутый», «Телефонная будка», «Поющий детектив», «Праздник Эйприл». В 2004 году Кэти снялась в ленте «Первая дочь» », а через год получила премию «Золотая малина» в номинации «Худшая роль второго плана» за работу в экшене «Бэтмен: Начало».
В 2005 году она появилась в экранизации сатирического романа Кристофера Бакли «Здесь курят». В 2010 году она сыграла в триллере «Не бойся темноты», а через год вошла в образ Жаклин Кеннеди в историко-биографическом мини-сериале об одном из известнейших и влиятельнейших семейств США - «Клан Кеннеди».
В 2012 году стало известно, что Холмс сыграет роль Нины Заречной в голливудской экранизации пьесы Антона Чехова «Чайка». Кроме нее, в картину вовлекли актера Кристиана Камарго. Тогда же Кэти стала соавтором и продюсером драмы о матери-одиночке «Молли». Актрисе досталась главная роль в этом проекте. В 2013 году Холмс поработала над озвучиванием персонажа мультипликационного проекта «Суперкоманда».
В 2014 году она появилась сразу в нескольких картинах, включая комедию Кристиана Камарго «Дни и ночи» с Эллисон Дженни и Жаном Рено, триллере «Мисс Медоуз», где Холмс исполнила роль учительницы начальных классов, являющейся в тайне ярым борцом с преступностью, приключенческое фэнтези по мотивам одноименной книги американской писательницы Лоис Лоури «Посвященный» с Мерил Стрип, Александром Скарсгардом и Тэйлор Свифт, а также драму «Опасные связи», где партнером Кэти стал Руфус Сьюэлл.
В 2015 году актриса наряду с Хелен Миррен, Райаном Рейнольдсом и Даниэлем Брюлем снялась в драме «Женщина в золотом», тогда же она предстала в образе пациентки психитрической больницы Карлы, страдающей маниакально-депрессивным расстройством, в картине «Прикосновение огнем» и получила роль Пейдж Финни в третьем сезоне криминального сериала на канале Showtime с Ливом Шрайбером «Рэй Донован». В 2017 году Кэти вновь перевоплотилась в Жаклин Кеннеди - на этот раз в мини-сериале «Клан Кеннеди: После Камелота», а также снялась в фильмах «Происшествие монументального масштаба», «Удача Логана» и «The Gift». Актрису задействовали и в комедии с Майклом Кейном «Дорогой диктатор», а также в криминальном триллере «Восемь подруг Оушена».
Своей первой любовью она как-то назвала Джошуа Джексона, сыгравшего главную роль в сериала «Бухта Доусона». В 2000 году актриса встречалась с актером Крисом Клейном, но в начале 2005 года пара распалась. Уже через несколько недель после окончания громкого романа Холмс начала отношения с голливудской звездой Томом Крузом. Впервые влюбленные появились вместе на светском рауте в Риме, а в мае того же года, во время съемок шоу Опры Уинфри, Том публично заявил о своей любви к юной актрисе. На пресс-конференции, где также присутствовала мать Кэти, он признался, что решился на серьезный шаг.
Осенью 2006 года пара обвенчалась в Италии. Церемония бракосочетания проходила в старинном замке, где собрался весь бомонд современного кинематографа. Вскоре Кэти Холмс приняла веру супруга и присоединилась к церкви саентологии. 18 апреля 2006 года актриса родила девочку, которую назвали Сури. Первые фотографии ребенка появились в октябре 2006 года в журнале «Vanity Fai»r, который разошелся тиражом более 700 тысяч экземпляров.
В 2012 году стало известно, что Кэти Холмс подала на развод после пяти лет брака с Томом Крузом. Официальной причиной их расставания стало чрезмерное увлечение легендарного актера саентологией. Кэти заявила, что боится за психическое состояние своей дочери, так как отец был решительно настроен отдать девочку в школу при Церкви саентологии, чтобы она могла получить начальное образование. Кэти Холмс вместе с дочерью осталась в Нью-Йорке. Кроме того, актриса появилась в числе прихожан католической церкви на Манхэттене.