Родилась 21 августа 1956 в городке Виднес вблизи Ливерпуля. Отец, Дэннис Кэтролл, был строительным рабочим, мать, Шэйн, — домохозяйкой. Когда Ким было три месяца, семья эмигрировала в Канаду. Через одиннадцать лет они вернулись в Великобританию. Там Ким посещала лекции в Лондонской академии музыкального и драматического искусства.
В шестнадцать лет Ким уехала в Нью-Йорк, поступила в Американскую академию театрального искусства и по её окончании подписала пятилетний контракт с режиссёром Отто Премингером. Её дебютом в кино стала картина 1975 года «Розовый бутон». Год спустя «Universal Studios» выкупила контракт и Кэттролл стала одной из последних участниц контрактной системы «Universal Contract Player System». По контракту со студией «Universal» выступала в многочисленных телевизионных программах различных стилей и жанров. В 1979 году она сыграла роль доктора Габриэль Уайт в «Невероятном Халке». Её работа на телевидении перестала приносить деньги и она быстро поменяла свою область деятельности на кинематограф. В 1980 году Кэтролл снялась в номинированном на «Оскар» фильме с Джеком Леммоном «Награда», а год спустя — в фильме «Билет на небеса», хорошо принятом критиками.
В 1982 году она играла мисс Хэниуэлл в фильме «Порки», затем, в 1984 году, снялась в «Полицейской академии». В течение 1985 у неё были большие роли в трёх фильмах: «Turk 182», «Границы города» и «Ограбление». В 1987 её главная роль в фильме «Манекен» имела огромный зрительский успех. Одной из её наиболее известных ролей стала роль лейтенанта Валерис в фильме «Звёздный путь 6: Неоткрытая страна».
Помимо кинематографических работ, Кэтролл остаётся и театральной актрисой, участвует в постановках «Вид с моста» по Артуру Миллеру и «Трёх сёстрах» Чехова.
В 1997 году она проходит отбор в телевизионный сериал «Секс в большом городе», создаваемом для канала HBO продюсером Даррен Стар. Саманта Джонс приносит Кэтролл международное признание. Она использует успех своей чувственной и похотливой героини для рекламы продукции фирмы «Pepsi», подписывает контракт о написании книги на тему секса. Кроме того, её голос можно услышать на компакт-диске со стихами Руперта Брука.
В период съёмок «Секса в большом городе» она продолжает сниматься в других фильмах, играет роль Кэролин в рискованном фильме Бритни Спирс «Перекрёстки».
Считается, что высокие финансовые требования Кэтролл и её натянутые отношения с Сарой Джессикой Паркер привели к прекращению съёмок сериала «Секс в большом городе», но как бы то ни было Кэтролл играет Саманту и в полнометражном фильме «Секс в большом городе» в 2008 году.
В 2005 году она появляется в картине студии «Дисней» «Принцесса льда», где играет Тину Харвуд, тренера по фигурному катанию главной героини. К сожалению фильму не сопутствовал финансовый успех. Так же она сыграла Клэр, парализованную женщину, желающую умереть, в драме «Вест енд», возобновляющей постановку «Whose Life is it Anyway?». В начале 2006 года появились слухи, что Кэтролл позднее присоединится к актёрам сериала «Отчаянные домохозяйки» в роли сестры Иди. В октябре 2006 она появилась в пьесе «Криптограмма» Дэвида Мэмета в лондонском «Донмар Варехаус».
С конца 2005 года Кэтролл появляется в британских коммерческих телепрограммах для чая Тэтли. В июле 2006 — в рекламных программах автомобилей «Ниссан», где Ким использует образ Саманты из «Секса в большом городе», только на новозеландском телевидении, очевидно, как протест против домыслов. В 2006 году она снималась с Бренданом Глисоном в фильме Джона Бурмана «Хвост тигра», чёрной комедии о том, как экономика «Кельтского тигра» ударила по населению Ирландии. В 2007 сыграла вместе с Дэвидом Хэйгом, Дэниэлом Рэдклиффом и Кэри Маллиган в фильме «Мой сын Джек», истории о том, как английский поэт и писатель Редьярд Киплинг, искал своего сына, пропавшего без вести в Первую мировую войну.
Написала две книги: «Досье на сексуальность» и «Найти себя» (изданы в том числе и в России).
Кэтролл трижды была замужем: за Лэрри Дэвисом; Андрэ Дж. Лисоном, с которым она развелась в 1989-м году; и аудиоинженером Марком Левинсоном, с которым развелась в 2004-м. До того была помолвлена с актёром Дэниэлом Бензали. В возрасте 25 лет короткое время встречалась с бывшим премьер-министром Канады Пьером Трюдо. В 2003 году встречалась со звездой «Хьюстон Рокетс» Каттино Мобли, с лета 2004-го по 2005 год — с молодым (более чем на двадцать лет моложе её) канадским шеф-поваром Аланом Уайзом. Имела роман со своим коллегой по постановке «Whose Life is it Anyway?» Александром Сиддигом, наиболее известным как Джулиан Башир из телесериала «Звёздный Путь: Глубокий Космос 9», но в интервью «Субботней Дэйли Стар» сообщила о назначенной на осень 2007 года свадьбе с Аланом Уайзом.