Catherine commence à prendre des cours de cinéma à UCLA dans les années 80 et obtient une récompense pour son court-métrage Puppy does the gumbo, dans lequel elle a habilement mêlé animation et décors réels. Après son diplôme, la jeune réalisatrice tente de s'imposer dans le monde du cinéma et devient chef-décoratrice dans plus d'une vingtaine de films dont Tombstone, Tank Girl, Mad City, Le Gang des Newton, ou encore Les Rois du désert et Vanilla Sky... des films qui ont tous un univers visuel très élaboré, rejoignant l'esprit de son court-métrage.

Forte de ces expériences, la jeune femme se fait des contacts dans le milieu et décide de réaliser son premier film. Elle écrit alors le scénario de Thirteen, avec Nikki Reed (qui a 15 ans à l'époque), en 2003. Le film traite de l'adolescence de la jeune fille entre la drogue, le sexe, les excès et l'insouciance... Au moment du tournage, comme la comédienne ne correspond plus au rôle, Nikki Reed la remplace, jouant ainsi la meilleure amie du personnage principal, interprété par Evan Rachel Wood.

Le film, porté par le charisme de cette dernière fait un carton dans les salles obscures et se voit primé à de nombreuses reprises:Prix de la mise en scène au Festival de Sundance 2003, Prix du jury au 29ème Festival du film américain de Deauville et prix d'interprétation pour Holly Hunter, qui joue la mère de l'adolescente principale, Evie, au festival de Locarno 2003.

En 2008 sort sur les écrans le film qui va définitivement booster sa carrière: Twilight - Chapitre 1 : fascination, une adaptation du roman de Stephenie Meyer intitulé Fascination. Le film traite de l'histoire d'une adolescente qui tombe sous le charme d'un mystérieux jeune homme, qui s'avère être un vampire. Porté par un casting de rêve, Kristen Stewart et Robert Pattinson, le film fait un carton au box-office américain et sort sur les écrans français le 7 janvier 2009.

Avec plus de 100 millions de dollars de bénéfices (uniquement aux Etat-Unis), une suite est déjà prévue: Twilight - Chapitre 2 : tentation, mais cette fois-ci porté à l'écran par Chris Weitz.