D'origine irlandaise et allemande, Katherine Heigl est la cadette des cinq enfants de Nancy et Paul Heigl (avec Meg, Jason, Holt et John Heigl). En 1986, un de ses frères meurt dans un accident de voiture. Cet évènement dramatique va profondément bouleverser l'équilibre familial et mener au divorce de ses parents quelques années plus tard.
Elle grandit selon la tradition des Mormons en Virginie, puis à Denver avant que la famille emménage à New Canaan dans le Connecticut.Alors qu'elle est âgée de neuf ans, une tante envoie des photos d'elle à diverses agences de modèles, et Katherine est rapidement engagée en tant que mannequin, notamment pour des catalogues de vente par correspondance, puis dans une publicité télévisée pour les céréales Cheerios.
. Plus tard cela lui ouvre les portes du grand écran en 1992 dans That Night et King of the Hill, où elle interprète de petit rôles. Puis on la retrouve en 1994 aux côtés de Gérard Depardieu dans un remake américain "Mon père ce héros". On la retrouve ensuite dans un téléfilm Disney, L'étoile filante.
Elle tourne dans différents film comme Piège à grande vitesse, avec Steven Seagal. C'est alors que la carrière de Katherine décole. Elle apparaît dans plusieurs shows télé de Davis Letterman et Jay Leno, et fait la couverture du célèbre Steventeen. Elle obtient son diplôme et décide de quitter New Canaan pour privilégier sa carrière d'actrice et s'installe à Los Angeles. Elle tourne alors dans des films indépendants : Prince Vaillent, Stand-ins et Bug Buster. En 1998, elle joue le rôle de Jade dans la fiancée de Chuky et enchaîne avec le téléfilm
La tenpête où elle joue au côtés de Peter Fonda puis tourne dans 100 Girl et Mortelle Saint-Valentin aux côtés de David Boreanaz (angel).
Elle tourne aussi dans Grey's Anatomy dans le rôle d'Izzie Steven, ancien manequin devenu interne en chirurgie qui peut prouver qu'elle n'est pas qu'une belle plante
Katherine a vécu longtemps aec son compagnon a l'écran dans Roswell, Jason Behr. Une relation qui a durer 3 ans. En juin 2006, elle s'est fiancé avec le chanteur américain Josh Kelly, qu'elle épousera le 23 décembre 2007.