Кэтлин Дойл Бэйтс родилась в Мемфисе, штат Теннесси. Она получила высшее образование в Южном методическом университете в Далласе, а также была главой женского общества «Альфа, Дельта, Пи». Бэйтс дебютировала в кино в 1971 году. С 1973 года работала в театре, получив некоторую известность лишь после роли в спектакле «Преступления сердца» в 1978 году. В 80-х годах она активно участвовала в бродвейских постановках, много снималась на телевидении, а в кино была занята во второстепенных ролях. К Бэйтс пришла слава после фильма «Мизери», за который она получила «Оскара». В том же году она снялась в фильме «Жареные зеленые помидоры», за который она была номинирована на «Золотой глобус». В 1994 она сыграла небольшую роль в фильме «Норт», за которую она была номинирована на анти-премию «Золотая малина» за худшую женскую роль второго плана.
Бэйтс также несколько раз была номинирована на «Эмми», однако никогда не побеждала. В 2003 у неё была роль второго плана в сериале «Клиент всегда мёртв». Она также снялась в нескольких фильмах канала «Lifetime». Начиная с девяностых годов, Бэйтс также работала как режиссёр. Она срежиссировала эпизоды таких сериалов как «Убойный отдел», «Полиция Нью-Йорка», «Тюрьма Оз», «Клиент всегда мёртв» и «Эвервуд». В 2008 году у неё была малая роль в фильме «Дорога перемен».
В настоящее время Бэйтс играет свою первую главную роль на телевидении в сериале «Закон Гэрри».
В 1991 году она вышла замуж за актёра Тони Кампизи, с которым прожила до этого 12 лет в гражданском браке. В 1997 году они развелись.