Кэтрин Зета-Джонс родилась 25 сентября 1969 года в Суонси (Уэльс, Великобритания). Её отец — Дэвид Джеймс Джонс, владелец валлийского кондитерского центра, а мать — швея. В детстве участвовала в любительских театральных постановках, в 14 лет была приглашена на прослушивание для участия в телешоу. В 1987 году Кэтрин дебютировала в Лондоне в мюзикле «42-я улица». Через год ей предложили роль Шахерезады в фильме Филиппа Де Брока «1001 ночь». В 1991 году Кэтрин снялась в телевизионном сериале «Милые бутоны мая», принёсшем ей ещё бо?льшую известность.
Дальнейшая карьера актрисы стремительно развивалась в Голливуде. В 2003 году Зета-Джонс получила «Оскар» за роль второго плана в мюзикле «Чикаго». В родном Уэльсе Кэтрин основала собственную кинокомпанию «Милквуд филмз». Одна из заметных работ актрисы — роль в фильме «Легенда Зорро» (2005) с Антонио Бандерасом.
Кэтрин замужем за оскароносным актёром Майклом Дугласом с 18 ноября 2000 года. У них двое детей — сын Дилан Майкл Дуглас (род. 8 августа 2000 года) и дочь Кэрис Зета-Дуглас (род. 20 апреля 2003 года).
В апреле 2011 года Зета-Джонс прошла курс лечения от биполярного аффективного расстройства.