Кэтрин Бигелоу родилась в Сан-Карлосе, Калифорния, США. Была единственным ребенком в семье. Отец был менеджером фабрики красок, а мать — библиотекарем. Сама она попала в мир кино, начав карьеру художника. Также она стала стипендиатом, занимающимся исследовательской работой в Музее Уитни в Нью-Йорке. Кэтрин стала выпускником по программе «Кино» в Колумбийском университете, где она занималась теорией кино и критикой. Среди профессоров, у которых она обучалась, можно отметить Вито Аккончи и Сьюзен Зонтаг. Кэтрин Бигелоу работала с известным концептуалистом Лоуренсом Вайнером и коллективом «Искусство и язык» (Art & Language). Кроме того, она сама преподавала в Калифорнийском институте искусств.
Первый короткометражный фильм Кэтрин Бигелоу назывался «Настройка» (The Set-Up, 1978), и представлял собой 20-минутную деконструкцию насилия в фильме.
Бигелоу была моделью для рекламы компании Gap, а также сыграла роль редактора газеты в фильме Лиззи Борден «Рожденная в огне» (Born in Flames, 1983).
Была замужем за американским кинорежиссёром Джеймсом Кэмероном с 1989 по 1991 год.