Полное имя — Кэтрин Ноэлль Холмс. Ее отец Мартин Джозеф Холмс — адвокат (специализируется на разводах), мать Кэтлин — домохозяйка и филантроп. У Холмс есть английские, ирландские, русские и немецкие корни. Актриса — приверженка религии саентология.

Получила образование в женском католическом колледже, а также на отучилась на курсах фотографии при Колумбийском университете. В 14 лет посещала модельную школу.

Во время съемок сериала «Лето наших надежд» Кэти встречалась с коллегой Джошуа Джексоном.С 2000 года начала встречаться с Крисом Клейном. В 2003 году они обручились, однако в начале 2005 года расстались. Уже в апреле 2005 года Холмс впервые появилась на публике с Томом Крузом. Они поженились 18 ноября 2006 года в Италии. 18 апреля 2006 года у Холмс и Круза родилась дочь Сури.

Самые известные роли Холмс — в фильмах «Убить миссис Тингл», «Телефонная будка», «Бэтмен: Начало», «Здесь курят», «Шальные деньги».