Росс народилась у Голлівуді, штат Каліфорнія, 29 січня 1940 року (хоча багато джерел вказують роком народження 1942 чи 1943 роки), коли її батько, Далді Росс служив у морському флоті. Він також працював в Ассошіейтед прес. Пізніше її сім'я переселилась в Волнат-Крік, в області затоки Сан-Франциско. Там вона закінчила середню школу Лас Ломас в 1957 році.
Вона навчалась в коледжі Санта-Роза протягом року (1957—1958), де вона брала участь в постановці мюзиклу «Король і Я». Вона покинула коледж і переїхала в Сан-Франциско, щоб вивчати акторське мистецтво. В 1959 приєдналась до «Майстерні Акторів» (школа в південній Каліфорнії) та провела там три роки (до 1962), працюючи дублеркою; для ролі в фільмі Жана Генета «Балкон» знялась оголеною.
Стала відомою, завдяки ролі в трьох популярних фільмах 1960-х і 1970-х років: роль Елейн Робінсон в фільмі Випускник, за яку вона отримала номінацію на «Оскар» за найкращу жіночу роль другого плану; роль Етти Плейс у фільмі Буч Кессіді і Санденс Кід, за котру вона отримала премію БАФТА за кращу жіночу роль; роль Джоанни Эберхарт у екранізації роману Степфордські дружини 1975 року. Також вона отримала Золотий Глобус за кращу жіночу роль другого плану в фільмі Подорож проклятих 1976 року.
Росс була заміжня п'ять разів. Її першим чоловіком став актор Джоель Фабіані з 1960 по 1962 рік. Потім вона була заміжня з Джоном Меріоном (1964—1967). В 1969 році Росс вийшла заміж за трьохкратного лауреата Оскара Конрада Голла, після зустрічі з ним на кастингу фільму Буч Кессіді і Санденс Кід. Вони розлучились в 1973 році. Після була заміжня за Гаетаном Ліззі з 1975 по 1979 рік.
Під час зйомок у фільмі «Психовані» (1978) вона знову зустрілась з актором Семом Елліоттом, з котрим познайомилась в 1969 на зйомках фільму Буч Кессіді і Санденс Кід, за якого вона вийшла заміж в 1984.
Кетрін і Сем мають дочку Клео, з якою в них непрості відносини. В березні 2011 року Кетрін звернулась в верховний суд Лос-Анджелеса з приводу нападу зі сторони 26 річної дочки. 30 березня 2011 року суд Санта-Моніки заборонив Клео підходити до батьків ближче, чим на 100 метрів.
