De nombre Katherine Boyer Waterston, la actriz nació el 3 de marzo de 1980, en Westminster, Londres, Reino Unido. Hija del actor Sam Waterston y la modelo Lynn Lousia Woodruff, Katherine decidió, muy joven, que quería seguir los pasos de su padre, por lo que se enrolo en la escuela de actuación Tisch School of the Arts, en Nueva York. Terminando sus estudios, la actriz debuto y participo en varias obras y puestas en escena, antes de entrar al mundo de la televisión y el cine.
Tras papeles pequeños en televisión, Katherine debuto en el cine, con la cinta Michael Clayton (2007), dirigida por Tony Gilroy y nominada al Oscar, en 2008, en la categoría de mejor película. Tiempo después, Katherine apareció en la cinta, de Ang Lee, Taking Woodstock (2009). Aunque breve, su participación llamó la atención de productores y directores, lo que le permitió a la actriz ser parte de varios e interesantes proyectos. Destacan sus participaciones en cintas como Enter Nowhere (2011), Being Flynn (2012), La desaparición de Eleanor Rigby (2013) y Queen of Earth (2015)
Fue gracias a la cinta Inherent Vice (2015), de Paul Thomas Anderson, que Katherine empezó a ser una actriz solicitada, lo que le ha permitido trabajar en grandes y pequeñas producciones, colaborando con directores como Danny Boyle (Steve Jobs), Ridley Scott (Alien: Covenant), Steven Soderbergh (Logan Lucky) y David Yates (Animales fantásticos y donde encontrarlos)