Кэтлин Элизабет Фэлл родилась 11 января 1921 года в одном из западных районом Лондона в семье железнодорожного клерка. Перед своим кинодебютом в 1938 году она обучалась в Драматической школе в Бристоле. В 1943 году она вышла замуж за пилота USAAF, лейтенанта Джона Дэниела Боуэна и переехала в США. Но вскоре режиссёр Майкл Пауэлл убедил её вернуться в Великобританию, где Кэтлин позже снялась в фильмах «Лестница в небо» (1946), «Чёрный нарцисс» (1947) и «Маленькая задняя комната» (1949), ставшими наиболее успешными в её кинокарьере. Во время съёмок «Чёрного нарцисса» у неё начался роман с Майклам Пауэллом, который в итоге привёл к разводу с мужем в 1950 году. Спустя три года она вышла замуж за британского писателя и журналиста Аларика Джекоба, брак с которым продлился до его смерти в 1995 году.
После успеха «Чёрного нарцисса» Байрон пригласили в Голливуд, где она появилась в роли Энн Сеймур в фильме «Малышка Бесс» (1953). Но её роль оказалась незамеченной и Кэтлин вновь вернулась на родину. В последующие годы она снималась в основном в фильмах категории «B», а также много работала на телевидении. У Байрон всё же была пара небольших ролей в успешных фильмах, среди которых «Человек-слон» (1980), «Эмма» (1996), «Отверженные» (1998) и «Спасти рядового Райана» (1998). Последнюю свою роль Кэтлин сыграла в телевизионном фильме «Отличные новички» в 2001 году.
Кэтлин Байрон умерла в Нортвуде, на севере Лондона, 18 января 2009 года.