Katie Lieu Leung est née à Motherwell, North Lanarkshire de Peter and Kar Wai Li Leung. Après le divorce de ses parents, elle a résidé avec son père (originaire de Hong Kong), ses deux frères (dont l'un se nomme Jonathan) et sa soeur (Violet). Son père tient un restaurant coté à Glasgow, ainsi qu'une affaire de cuisine chinoise. Outre l'anglais, Leung parle également cantonais et du mandarin. Elle a étudié au Hamilton College, école privée écossaise située dans Hamilton, au South Lanarkshire. Elle habite actuellement à Londres, et étudie la photographie à l'université.
Elle commence sa carrière avec un petit rôle dans la série "Hercule Poirot" inspirée des romans d'Agatha Christie, elle fait en effet de petites apparitions dans l'enquête "Un chat parmi les pigeons". Son père la conduit a casting du film
Harry Potter et la Coupe de feu suite à une annonce télévisée faisant appel à des jeunes femmes de 16 ans et plus et de type est-asiatique. Après quatre heures d'attente, elle passe une audition de cinq minutes, puis repart chez elle. Deux semaines plus tard, on la rappelle pour lui confier le rôle de Cho.
Elle a été choisie parmi 4000 autres candidates parmi lesquelles les actrices Courtney Webb et Michelle Ang). Elle émet dans une interview avec le Daily Record l'hypothèse que c'est son accent écossais qui l'a fait remarquer.
J. K. Rowling avait insisté pour que le rôle de Cho Chang soit interprété par une totale inconnue. Cela a donc pu jouer dans le choix, car il s'agit de la première apparition de cette actrice au cinéma..
Daniel Radcliffe, qui joue Harry, estime Leung "géniale" et « actrice vraiment extraordinaire ». On dit que sa meilleure amie sur le tournage était Bonnie Wright, qui joue Ginny Weasley dans les films. Leung a dû mettre en attente ses projets pour aller en école et en université d'art pour pouvoir tourner Harry Potter et l'Ordre du phénix. Dans ce dernier, le baiser de Leung et Radcliffe à l'écran a retenu l'attention des médias.
Interrogée sur son éventuel retour dans pour le sixième film, Leung répondit qu'elle n'y croyait guère, Cho devenant personnage très secondaire dans les romans suivants et les films contenant déjà trop d'éléments pour qu'elle y apparaisse. Malgré tout, elle fait à nouveau partie du casting du film.
En juillet 2007, Gold Label Records (une compagnie de disques de Hong Kong) a demandé à Leung de jouer un personnage principal féminin dans un clip pour une chanson nommée Love Coming Home (???) par Leo Ku. Katie a aussitôt donné son accord, et tourna le clip à Londres alors qu'elle était déjà occupée à faire la promotion du nouveau film Harry Potter. Leo a décrit Katie comme une actrice « professionnelle » et « mûre ».