1951년 미국 캘리포니아 산카를로스출생으로 San Francisco Art Institute에서 회화를 전공하는 그녀는 다시 콜럼비아대학으로 진학하여 영화이론과 비평을 전공했다.
콜럼비아 재학시절인 1978년 폭력에 대한 진지한 성찰을 다룬 20분짜리 단편 [셋업]을 발표했으며 1982년 몬티 몽고메리와의 공동 연출작인 [The Loveless]를 완성했다. 배우 윌렘 데포우의 데뷔작이기도 한 이 영화는 캐트린 비겔로우의 잠재적 가능성을 시사한 작품이었으며 이듬해 그녀는 리찌 보덴의 저예산 영화 [불꽃에서 태어나다 Born in Flames]에 단역으로 출연했다.
1987년 완성한, 뱀파이어 무비와 웨스턴 장르가 결합된 하이브리드 호러 무비 [죽음의 키스 Near Dark]로 컬트적 지지를 받기 시작한 그녀는 1990년 제이미 리 커티스 주연의 크라임 스릴러 [블루 스틸]로 평론가들의 호평을 받았고 1992년 탄탄한 스토리텔링과 여성감독의 작품이라곤 믿기 어려운 화려한 액션씬으로 관객들에게 높은 점수를 받은 [폭풍속으로 Point Break]를 연출, 헐리우드 최고의 여류감독 대열에 합류했다.
1989년 헐리우드 블럭버스터 메이커인 제임스 카메론과 결혼, 2년간의 결혼생활 끝에 이혼한 비겔로우는 2005년 제임스 카메론이 각본을 쓴 SF스릴러 [스트레이지 데이즈]를 완성했으나 관객과 평론가들의 외면속에 막을 내렸다.
[스트레인지 데이즈]이후, 2000년 5년에 걸쳐 완성한 스릴러 [웨이트 오브 워터]를 내놓은 비겔로우는 2002년 해리슨 포드 주연의 [K-19 위도우메이커]를 연출했으며 2010년, 이라크 전에 파병된 폭발물 전문 처리반 EOD의 활약상을 그린 전쟁 드라마 [허트 로커]로 전 남편인 제임스 카메론을 제치고 여류감독으론 처음으로 제 82회 아카데미 영화제 감독상을 수상하는 영예를 안았다.
