Née à Swansea, d'un père gallois et d'une mère d'origine irlandaise, elle a deux frères. Dans sa jeunesse elle subit une trachéotomie qui lui laisse une cicatrice. Elle est mariée avec l'acteur de cinéma Michael Douglas, qui est de 25 ans son aîné puisqu'il est lui-même né un 25 septembre. Ils ont célébré leur mariage le 18 novembre 2000.
Catherine a deux enfants avec Michael Douglas, Dylan Michael Douglas né le 8 août 2000 et Carys Zeta Douglas née le 20 avril 2003. Pour son nom de scène, elle a ajouté à son nom (Jones) le surnom de sa grand-mère (Zeta).
Elle apparaît en 1987 dans Forty-Second Street où son apparence exotique alliée à ses capacités de chant et danse semblent lui promettre un brillant avenir. En 1989 elle joue Mae Jones avec L'English National Opera dans un opéra de Kurt Weill intitulé Street Scene. Elle débute au cinéma dans le rôle de Shéhérazade dans
Les 1001 nuits (1990), film français de Philippe de Broca aux côtés des célèbres acteurs français Gérard Jugnot et Thierry Lhermitte grâce à son charme oriental. Mais c'est en 1991, dans une adaptation de The Darling Buds of May (H. E. Bates), qu'elle se fait un nom.
Après plusieurs seconds rôles, elle est repérée par Steven Spielberg dans une série télévisée retraçant le naufrage du Titanic en 1996. C'est alors qu'elle enchaîne au cinéma dans le film de Martin Campbell : Le Masque de Zorro sorti en 1998, avec Antonio Banderas et Anthony Hopkins pour partenaires. Ce film lance définitivement sa carrière dans les films à gros budget américains.
En 2003 elle remporte l'Oscar de la meilleure actrice dans un seconde rôle pour son interprétation dans le film
Chicago alors qu'elle était enceinte de 8 mois.
En 2010, elle est élevée au titre de Commandeur de l'Empire britannique(CBE) par la reine Elizabeth II en remerciement de la culture cinématographique qu'elle a apporté au pays d'où elle vient.
Le Prince Charles en personne lui remet son prix le 24 février 2011 à Buckingham Palace en présence de son époux Michael Douglas et de ses deux enfants.