Кэтрин Мэри Хейгл родилась 24 ноября 1978 года в городе Вашингтон, округ Колумбия, США. Ее отец Пол Хейгл руководил финансовым предприятием, а мама Нэнси Хейгл работала менеджером по персоналу. Девочка стала четвертым ребенком в семье: у актрисы были два брата Холт и Джейсон, а также сестра Мэг, которую родители удочерили.

В 1986 году в автомобильной катастрофе погиб Джейсон. Эта трагедия сильно повлияла на семью Хейгл: отец и мать стали очень религиозными и превратились в активистов Церкви Иисуса Христа Святых последних дней. Сама же Кэтрин из-за этого получила образование в строгой христианской школе.

Детство Хейгл проходило далеко за пределами Вашингтона. Сначала она жила в Вирджинии, потом в Денвере, а обосновалась семья в городе Нью-Ханаан, в большом доме, построенном в викторианском стиле.

С девяти лет Кэтрин Хейгл стала позировать перед фотокамерами. Впервые она как модель попробовала себя в рекламе средства по уходу за волосами, которое выпускала ее родная тетя, а затем родители стали рассылать фотографии дочери по разным агентствам, и в итоге маленькую девочку позвали рекламировать сухие завтраки «Cheerios».

Помимо обычной школы Хейгл ходила и в музыкальную студию, в которой научилась играть на виолончели. Старшие классы девушка посещала, так сказать, «через раз» и в итоге бросила высшую школу Нью-Канаана ради того, чтобы сосредоточиться на съемках в кино.

Кэтрин Хейгл начала свою карьеру киноактрисы в подростковом возрастес мелодрамы «Той самой ночью». После череды небольших ролей Кэтрин снялась вместе с Жераром Депардье в кинокомедии «Мой отец - герой» и была номинирована на различные кинопремии как лучшая молодая актриса. Позднее она снималась в комедийном триллере «Невеста Чаки», приключенческом экшене «Принц Вэлиант», молодежной комедии «100 девчонок и одна в лифте».

Настоящий прорыв ожидал Хейгл в 2005 году, когда на экранах всего мира стали транслировать медицинскую многосерийную драму «Анатомия страсти». Там Кэтрин исполнила роль молодого врача Иззи Стивенс и получила за эту работу престижную премию «Эмми».

Очередной виток популярности дали зажигательные комедии «Немножко беременна» с Сетом  Рогеном и «Голая правда» с Джерардом Батлером. На долгое время продюсеры и режиссеры отнесли Хейгл к разряду комедийных актрис, и вскоре ее это совершенно перестало устраивать. Полноценно вернуться к драматической роли Кэтрин смогла только в 2014 году благодаря политическому телесериалу «Положение дел».

В 90-х годах Кэтрин Хейгл встречалась с американским актером Джоуи Лоуренсом, а позднее состояла в романтических отношениях со звездой молодежного сериала «Город пришельцев» Джейсоном Бером. В 2001 году они даже публично объявили о своей помолвке, а спустя год не только разорвали ее, но и расстались окончательно.

В 2005 году Кэтрин знакомится с певцом Джошем Келли. Они встретились на презентации его видеоклипа к песне «Only You» и начали встречаться. Следующим летом была объявлена их помолвка, причем Хейгл решила повести себя крайне несовременно: пара не жила вместе до свадьбы. Как сказала актриса, она хотела, чтобы жизнь после брака психологически отличалась от обычных свиданий или сожительства.

Торжество бракосочетания состоялось 23 декабря 2007 года в Парк-Сити. Через два года супруги удочерили южнокорейскую девочку, которую назвали в честь бабушки Нэнси Ли, а спустя три года в семье появилась вторая приемная дочь Аделаида Мари Хоуп. Летом 2016 года общественности стало известно, что Кэтрин впервые носит под сердцем ребенка. Как сказала актриса, они с мужем ожидают мальчика.