Катерина Ксеньева родилась в Ленинграде. Дочь кинорежиссёра Юрия Мамина и актрисы Людмилы Самохваловой («Принц и нищий», «Держись за облака», «Фонтан», «Горько!»).
Обучалась на отделении оперного вокала в Бишкекском училище при Консерватории у В. Муковникова, а затем брала уроки у Б. Менжилкиева. В 1994 году поступила в Санкт-Петербургскую Государственную Академию театрального искусства на актёрское отделение.
В 1998 году выпустилась в мастерской заслуженного деятеля искусств России актёра и режиссёра Юрия Томошевского с дипломной ролью Эльвиры в спектакле по пьесе Макса Фриша «Санта-Крус» (Государственный Театр «Приют Комедианта», 1998 год).
На спектакле «Санта-Крус» в трагедийной роли Эльвиры её увидели Юрий Мамин и сценарист Аркадий Тигай. С этого момента Юрий Мамин признал в дочери актрису мощного драматического темперамента и стал приглашать в свои фильмы.
Однако первые две её роли в фильмах были романтически-комедийными. Это — наивная невеста из 60-х годов в фильме «Горько!» (1997) и косоглазая журналистка Машенька в сериале Юрия Мамина «Русские страшилки» (2000—2003).
В 2004 году Катерина Ксеньева снимается в сериале «Менты» в серии «Снайпер» и играет актрису Зою, убивающую мужчин-насильников из снайперской винтовки.
В 2005 году, в условиях отсутствия помощи и поддержки кинорежиссёру Юрию Мамину, Катерина Ксеньева начинает помогать продюсированию фильма «Не думай про белых обезьян» (по сценарию Владимира Вардунаса) и фактически становится его сопродюсером и выпускающим креативным продюсером.
В 2008 году работа над фильмом была завершена и в январе 2009 года он вышел в прокат.
В фильме Ксеньева раскрыла очень важную для неё тему, исполнив роль нищей русской молодой женщины Даши, которая находится в унизительных обстоятельствах жизни и вынуждена фактически выживать.
Катерина Ксеньева добилась премьерных показов фильма в США (Нью-Йорк, Миннеаполис) и в Англии, где «Не думай про белых обезьян» получил Гран-При (The End Of The Pier, 2009). Фильм занял множество международных и отечественных наград, в том числе Гран-При в Рабате, Марокко (2009). После переговоров Катерины Ксеньевой с её английскими партнерами фильм готовится к дубляжу в одной из студий Рея Гиллона в Лондоне. Ксеньева сотрудничала с американским переводчиком, специализирующимся на русской и пушкинской поэзии и попросила его сделать его поэтический перевод для этого фильма.
Работа в театре: 1997—1999 год
Государственный Санкт-Петербургский Театр «ПРИЮТ КОМЕДИАНТА» под руководством Юрия Томошевского.
Главная драматическая роль Эльвиры в спектакле «Санта-Крус» (Макс Фриш). Режиссёр Юрий Томошевский
В настоящее время, считает актриса, проблемы национализма и расизма, религиозной и расовой неприязни во всем мире, в России и США не только не ушли, но набирают мощь с новой силой. Поэтому её продюсерский кинопроект «Рокмен» (для кинорежиссёра Юрия Мамина, совместно с США), автором идеи и сценария (частично) которого является Катерина Ксеньева, посвящен именно теме взамопонимания людей и взаимообогащения культур. Также Ксеньева является автором идеи кинопроекта и соавтором сценария «Счастье любви к Джойсу» (в разработке) для британского кинопроизводства, которую она посвятила русской интеллигенции, в частности Елене Вержбловской, Игорю Романовичу, и Виктору Хинкису, переводчикам романа Джеймса Джойса «Улисс».
Катерина Ксеньева является также журналисткой и автором литературных работ.
В 2001 году, в ночь гибели субмарины «Курск», Ксеньева написала рок-балладу, посвященную погибшему экипажу субмарины «Курск». Тогда же совместно с бардом Евой Кондрашевой она написала стихи для этой рок-баллады. 5 лет спустя Ксеньева заканчивает работу над аранжировкой этой песни-реквиема. «Колыбельная для Мужчины» Ксеньевой занимает высшее место в рейтинге открытого голосования Геннадия Бачинского в его воскресных программах на радио «Максимум» в феврале-марте 2007 года. Её принимают отечественные и зарубежные известные музыканты (Александр Журбин, Тристан Делл и др.), однако рок-баллада в ротацию ведущих радиостанций не попадает. В 2009 году компания «Бомба-Питер» выпускает первый вокальный альбом Ксеньевой «Колыбельная для Мужчины», в который вошла эта авторская рок-баллада актрисы.
В 2008 году, после прочтения романа нью-йоркского писаталя Джонатана Сафрана Фоера «Жутко громко и запредельно близко», Катерина Ксеньева пишет на английском языке песню «Нью Йорк, Нью Лайф, Нью Лав» (стихи и музыку) и посвящает её всем нью-йоркерцам, единению людей и памяти жертв 11 сентября 2001 года. Эту песню она отправляет известному американскому продюсеру Тристану Деллу и тот приглашает её в Лос-Анджелес. Тристан Делл знакомит Катерину Ксеньеву с преподавателем вокала Сетом Риггзом и продюсером Тины Тернер Денни Дианте. Реакция этих известных музыкальных деятелей была той же, что и у Делла. Несмотря на советы Сета Риггза остаться в Лос-Анжелесе, она уезжает в Нью Йорк. Она получает благословение на работу над песней «Нью Йорк, Нью Лайф, Нью Лав» у нью-йоркского пастора Дональда Френсиса и приступает к работе над записью Госпел-хора со своим соратником и другом, музыкантом и общественным деятелем Давидом Квинаунсом. После окончания работы над записью и сведением песни, Ксеньева приступит к клипу на эту песню.
Ксеньева также является автором других песен («Блюз на троих», «Спой ты мне стихи из Гейне», «Сага о сибирском рокере (посвящается Максу Бушину)» и музыкальных инструментальных произведений, выпуск которых намечен на будущее.