Кэтлин Робертсон родилась и выросла в Гамильтоне, Онтарио, Канада. В 10 лет она начала обучение на актёрских курсах, а также стала заниматься танцами и пением. И уже в этом возрасте получила свою первую роль в пьесе «Энни» на сцене театра «Хэмильтон». Она переехала в Лос-Анджелес после того, как побывала там на премьере одного из своих фильмов. В течение её первых лет проживания в Лос-Анджелесе, она снялась в фильме «На линии огня». В качестве главной героини она сыграла в таких фильмах, как «Тихий убийца» и «В ночных лабиринтах смерти», а также в сериале «Особняк маньяка». Ещё Кэтлин исполнила второстепенные роли в фильмах ENG, Street Legal, «Моё второе Я».
Кэтлин получила широкую известность благодаря популярному во всём мире телесериалу «Беверли Хиллз 90210». Получив роль Клэр Арнольд в 1993 году, актриса не предполагала задерживаться в этом телешоу на целых 4 года — её и приглашали всего на 5 серий. Но она так удачно вписалась в дружную молодёжную команду, что покорила всех поклонников сериала.
В 1997 году Кэтлин обручилась с режиссёром Греггом Араки. В том же году она получила роль в картине Араки «Нигде». После работы в фильме «Нигде» Кэтлин снялась в фильме: «Собачий парк» (1998) год и, снова у Грегга Араки, в «Роскошная жизнь» (1999) год. Помимо этого Кэтлин вместе с Минни Драйвер играла в фильме «Красивая», режиссёром которого была дважды оскароносная актриса Салли Филд. Далее актриса получила роль Тео в сиквеле Кинана Айвори Уайанса от кинокомпании Dimension Films к блокбастеру «Очень страшное кино» — «Очень страшное кино 2».
В сексуальной драме режиссера Остина Чика «Логика измены» Кэтлин сыграла одну из главных ролей вместе с Марком Руффало. Этот фильм был представлен в номинации «Лучший драматический фильм» на фестивале «Сандэнс».
За роль в фильме «Туловище: История Эвелин Дик», где Робертсон сыграла печально известную канадскую убийцу Эвелин Дик, она была номинирована в категории «Лучшая актриса» на премии Gemini Awards в Канаде в 2002 году.
Робертсон снималась в телесериале Дэвида Э. Келлей «Клуб девочек». Кэтлин вместе с Биллом Мюрреем также появилась в комедии режиссёра Джона Макногтона «Поговорим о сексе». Затем Кэтлин получает эпизодическую роль (официантка в кафе) в фильме кинокомпании New Line Cinema — «Я — Сэм», где её партнёром стал Шон Пенн.
За главную роль в фильме «Последный поворот» Кэтлин Робертсон была вновь номинирована в категории «Лучшая актриса» премии «Gemini Awards» в 2007 году.
Хотя Робертсон неоднократно высказывала свое негативное отношение к телевидению и, особенно, к реалити-шоу, она сама выступила в качестве продюсера телесериала «Бизнес», где сыграла главную роль, и получила главную роль в фантастическом минисериале «Железный человек», её игру в котором журнал Independent Film Quarterly назвал феноменально успешной.
В 2000 году Кэтлин развелась со своим мужем Греггом Араки, а в 2008 году вышла замуж за Криса Коулса (Chris Cowles) и у них 9 июля родился сын, которого назвали Уильям (William Robertson Cowles).