Коулман окончила среднюю школу им. Вилберта Вудсона, Фэрфакс, штат Вирджиния, в 1978 году. В 1979—1980 годах она была студентом по обмену в норвежской средней школе муниципалитета Рёйкен. Она получила степень бакалавра наук в химии от Массачусетского технологического института в 1983 году.
После окончания регулярного образования, Коулман вступила в ВВС США в качестве второго лейтенанта, продолжая свою дипломную работу на степень доктора философии в университет Штата Массачусетс. В 1988 году она вошла на военную службу на авиационной базе Райт-Паттерсон, как химик-исследователь. В 1991 году она получила свою докторскую степень в науке о полимерах и технике. Она ушла из ВВС в ноябре 2009 года.
Коулман была выбрана НАСА в 1992 году, чтобы стать специалистом космической миссии и приняла участие в двух миссиях «Шаттл». В 1995 году она была членом экипажа STS-73, проводящего различные биотехнологические эксперименты. Во время полета, она сообщила в центр управления полетами в Хьюстоне, что заметила неопознанный летающий объект. Она также проходила обучение для миссии STS-83 в качестве запасного члена экипажа, но в ней самой не участвовала. Однако приняла участие в миссии STS-93, в качестве специалиста миссии. Катерина Коулман приняла участие в 26-й экспедиции на МКС.
Коулман замужем за художником Джошом Симпсоном. Она также является частью музыкальной группы «Bandella», в состав которого кроме неё входят Стивен Робинсон, канадский астронавт Крис Хадфилд, и Мики Петтит (жена астронавта Дона Петтита).