Née à Miami, Catherine Keener, d'origine libanaise et irlandaise, est la troisième des cinq enfants de Jim et Evelyn Keener.
Elle fait des études d'anglais et d'histoire, puis déménage à New York. Elle trouve un emploi d'assistante d'un agent de casting. L'agent la pousse à devenir actrice. Ses débuts en 1986 comme comédienne se révèlent assez difficiles, enchainant des petites apparitions dans des films comme dans À propos d'hier soir..., Une trop belle cible et Dans la peau d'une blonde, suivi aussi de seconds rôles dans des séries télévisées comme La Loi de Los Angeles ou Seinfeld. Sa rencontre avec le réalisateur Tom DiCillo va être décisif : en effet, les quatre films Johnny Suede (1991), Ça tourne à Manhattan (1994), Box of Moon Light (1996) et Une vraie blonde (1997) qu'elle tourne avec ce dernier commencent à faire connaître son travail. Elle obtient l'un des deux rôles principaux de Walking and Talking, de Nicole Holofcencer (1996), avec qui elle tournera par la suite deux films. Parallèlement aux films indépendants, Catherine Keener tient quelques rôles secondaires dans ses premières grosses productions hollywoodiennes, comme Hors d'atteinte et 8mm.
En 1999, le succès inattendu de Dans la peau de John Malkovich la lance définitivement, obtenant pour l'occasion sa première nomination aux Oscars dans la catégorie meilleure actrice dans un second rôle. En 2002, elle a joué Burn This au théâtre avec Edward Norton.
Actrice incontournable et respectée des jeunes réalisateurs hollywoodiens et indépendants, elle se diversifie en participant à des films comme S1m0ne, Full Frontal, The Ballad of Jack and Rose, qui signe son retour au cinéma après trois ans d'absence sur grand écran, et surtout 40 ans, toujours puceau, où elle est la petite amie de Steve Carell. Elle tourne aussi sous la direction de réalisateurs expérimentés comme Sydney Pollack pour L'Interprète. Puis elle rejoint Philip Seymour Hoffman dans Truman Capote. Ce film lui vaut sa seconde nomination aux Oscars.
Récemment, elle a participé aux films Into the Wild, Panique à Hollywood, Synecdoche, New York (où elle retrouve Philip Seymour Hoffman) et Un été italien.
