Кэти Холмс родилась в городе Толедо штата Огайо. Была самым младшим, пятым ребёнком в семье. У неё трое сестёр и брат. Отец — адвокат, специализировавшийся на бракоразводных процессах. У Кэти есть английские, ирландские, русские и немецкие корни. В четырнадцать лет Кэти Холмс начала посещать модельную школу. В 1996 году, прочитав монолог из романа «Убить пересмешника», получила роль в фильме Энга Ли «Ледяной ветер». В 1997 году была приглашена в телесериал «Баффи — истребительница вампиров», однако отказалась, поскольку ей нужно было закончить учёбу. Тем не менее, уже в следующем году прошла пробы на главную роль в телесериал «Лето наших надежд», в котором снималась до 2003 года. Именно роль в этом сериале принесла ей известность.

Первую главную роль в кино сыграла в 1999 году в фильме «Убить миссис Тингл». Самый известный кинофильм, в котором Кэти Холмс сыграла одного из главных персонажей — это фильм Кристофера Нолана «Бэтмен: Начало». Однако в продолжении, фильме «Тёмный рыцарь», Кэти не участвовала. Её заменила Мэгги Джилленхол.

Лучшие фильмы: Телефонная будка, Бэтмен: Начало, Ледяной ветер, Здесь курят, Экстази.