Katherine McNamara comenzó su carrera profesional en los escenarios de Broadway, a la edad de 13 años. Comenzó sus participaciones en pantalla como estrella invitada en series de televisión y en películas pero empezó a ganar reconocimiento tras interpretar el papel recurrente de Kat en la tercera temporada de The Fosters en 2015. Después apareció en la secuela de Maze Runner - Correr o Morir (2014), Maze Runner: Prueba de fuego (2015), como Sonya, una co-líder del Grupo B, y repitió el papel en la secuela de 2018, Maze Runner: la cura mortal. Desde 2016, interpretó al personaje principal Clary Fray en Shadowhunters, la adaptación televisiva de Freeform de la exitosa serie de libros The Mortal Instruments de Cassandra Clare, hasta su final en 2019. En 2018, McNamara fue elegida en la séptima temporada de Arrow como el personaje recurrente de Mia Smoak, la hija de Oliver Queen y Felicity Smoak; McNamara luego fue promovido a regular para la octava y última temporada.