Кэттролл родилась в Ливерпуле (Англия), а затем вместе с родителями переехала в Канаду, в г. Ванкувер. В возрасте шестнадцати лет Кэттролл перебралась в Нью-Йорк и поступила в Американскую академию театрального искусства.

По окончании академии она подписала пятилетний контракт с кинорежиссером Отто Премингером на съемки в его фильмах. Год спустя кинокомпания "Юниверсал студиос" выкупила этот контракт у Премингера. По новому договору с "Юниверсал", Ким снялась во многих телесериалах, после чего ее стали приглашать на ведущие роли в кинематографе: в частности, Ким снялась в номинировавшемся на Оскар фильме "Награда" (с Джеком Леммоном в главной роли), а также в фильме "Билет в рай", за главную роль в котором она была номинирована на премию "Дженни" (канадский "Оскар").

С тех пор она снялась во многих блокбастерах, включая такие фильмы, как "Полицейская академия 1", "Порки", "Манекен", "Маскарад", "Звездный путь VI: неоткрытая страна", хит Джона Карпентера "Большой переполох в маленьком Китае" (с Куртом Расселом в главной роли) и комедия Брайана де Пальма "Костер тщеславия" (с Томом Хэнксом в главной роли). За роль Джеми в художественном фильме "Голые девушки без купюр" Ким получила восторженные отзывы критиков на многочисленных кинофестивалях независимого кино.

Помимо работы в кино и на телевидении Ким участвовала в ряде театральных постановок, таких как "Вид с моста" (по пьесе Артура Миллера), "Три сестры" (по Антону Чехову) и "Мизантроп" (по пьесе Мольера). Ее дебютом на Бродвее стал спектакль "Дикий мед" (по мотивам произведений Антона Чехова) в постановке Национального театра (главную роль в спектакле сыграл Йан Мак Келлен).

Среди ее последних телевизионных проектов стоит отметить телефильм "Хроники Хайди" - экранизацию знаменитой пьесы Венди Вассерштайна, удостоенную Пулитцеровской премии (за достижения в области литературы), в которой Ким сыграла главную роль вместе Джеми Ли Кертис, и мини-сериал Оливера Стоуна "Дикие пальмы" (телеканал АВС). Одной из ее последних работ в кинематографе является яркая эпизодическая роль Кассандры в триллере Роберта Де Ниро и Эдварда Бернса "Пятнадцать минут".
Актриса Ким Кэтролл, неоднократно номинировавшаяся на премии "Золотой Глобус" и "Эмми", получила восторженные отзывы критиков за роль роковой женщины - Саманты Джоунс - в суперпопулярном сериале телекомпании НВО "Секс в большом городе".