Кэттролл родилась в маленьком городке Виднес недалеко от Ливерпуля. Отец Ким был строителем, мать – обычной домохозяйкой. До 11-летнего возраста Ким проживала в Канаде, а позже ее семья переехала обратно в Великобританию. Вернувшись в Лондон, Ким начала посещать лекции в Лондонской академии драматического искусства. А в 16 лет она уже поступала в Академию театрального искусства в Нью-Йорке и сразу после ее окончания смогла подписать пятилетний контракт на работу с Отто Премингером. Дебютная работа в кино - картина "Розовый бутон", вышедшая в 1975 году. Спустя всего год Ким продала договор компании Universal Studios и начала участвовать в различных телевизионных программах всевозможных жанров и стилей.
К 1997 году Кэттролл уже имела за плечами солидный послужной список, в том числе, самые известные ее киноработы – роль в фильме «Награда», номинированном на «Оскар» и в «Полицейской академии».
В 1997 году начались съемки телесериала "Секс в большом городе", где одну из главных ролей - роль Саманты предложили Ким Кэттролл. Именно роль Саманты Джонс принесла актрисе международное признание, а также многочисленные номинации на награды "Эмми" и "Золотой Глобус".
Работая на съемках популярного сериала, актриса успевает параллельно быть задействованной и в других проектах. Одной из причин прекращения съемок сериала «Секс в большом городе» называют завышенные требования Ким Кэтролл по оплате своей работы и ее сложные отношения еще с одной актрисой сериала - Джессикой Паркер. Однако, вопреки слухам, Кэтролл вместе с остальными тремя исполнительницами главных ролей, принимает участие в съемках полнометражных фильмов, вышедших в 2008 и 2010 годах.
Актрисой были написаны две книги: "Найти себя" и "Досье на сексуальность", которые издавались во многих странах, в том числе и в России.
Ким Кэттролл была замужем трижды: первый ее муж - Лэрри Дэвис, затем Андрэ Дж. Лисон и аудиоинженер Марк Левинсон, последний ее развод состоялся в 2004 году.