Elle est la soeur de l'actrice
Marie-Hélène Breillat. Elle publie son premier roman L'homme facile interdit aux moins de 18 ans. Catherine Breillat joue aux côtés de sa soeur dans Dernier Tango à Paris. En pleine vague du « X », un producteur lui propose de réaliser un film érotique à partir de son livre Une vraie jeune fille. Le film ne sortira pas tout de suite du fait de la faillite de son producteur. Bien qu'il contienne des scènes pornographiques, ce film est avant tout destiné à provoquer une réflexion sur le sujet de la découverte de la sexualité et du sentiment de dégoût de soi. Après un second film, Tapage nocturne, Catherine Breillat met sa carrière de réalisatrice entre parenthèses et se consacre à scénariser pour d'autres, notamment pour
Federico Fellini (
Et vogue le navire...) et
Maurice Pialat (
Police). Elle retourne à la réalisation avec 36 fillette (adapté d'un de ses romans) et Sale comme un ange (scénario refusé par
Maurice Pialat). Appréciée par la critique mais inconnue du public, elle rencontre enfin le succès avec Parfait amour ! (1996), suivi de Romance (1999).
Catherine Breillat enseigne ou a enseigné, notamment, à la FEMIS et à l'Université Columbia.
Le 5 avril 2005, elle fait une hémorragie cérébrale qui paralyse son côté gauche. Après cinq mois d'hospitalisation et une lente rééducation, elle parvient à reprendre le travail et réalise
, d'après Barbey d'Aurevilly avec
Asia Argento,
Lio,
Amira Casar,
Michael Lonsdale,
Anne Parillaud et
Claude Sarraute. L'un des trois films français de la sélection officielle du Festival de Cannes 2007 a fait l'objet d'un commentaire intitulé "Une vieille maîtresse sans Breillat" par Anne-Elisabeth Blateau et publié en 2008 dans le livre Carré d'Art : Barbey d'Aurevilly, Byron, Dali, Hallier, de Jean-Pierre Thiollet .
Catherine Breillat a également mis en images trois titres de la jeune artiste
Élodie Frégé : Je te dis non, issu du premier opus de la chanteuse, et plus récemment, deux chansons de l'album Jeu des 7 erreurs, à savoir Si je reste (un peu) et La fidélité.
Elle projette ensuite de tourner Bad love, un film mettant en vedette Christophe Rocancourt et
Naomi Campbell mais le film ne verra jamais le jour, Catherine Breillat révélant en juillet 2009 être victime d'une escroquerie de la part de Rocancourt qui, profitant de son handicap et de sa faiblesse, lui aurait soutiré des chèques pour plus de 850 000 euros. En parlant de sa rencontre avec Rocancourt, elle dit : "Ce fut le plus mauvais jour de mon existence, pire que celui où j'ai fait mon accident vasculaire cérébral...". Elle publie un livre consacré à l'affaire, intitulé Abus de Faiblesse, rédigé en collaboration avec Jean-François Kervéan et sorti aux éditions Fayard le 18 novembre 2009.