Katherine Marie Heigl est née à Washington, capitale des États-Unis, le 24 Novembre 1978 de ses parents Nancy et Paul Heigl. Peu après, sa famille s'installe dans le Connecticut, à New Canaan, où elle passe sa jeunesse. Petite dernière, Katherine ou Kathie comme on la surnomme, a une sœur prénommée Meg et deux frères, John et Holt. L'aîné, Jason, est décédé dans un tragique accident de voiture en 1986. Cette tragédie sensibilisa la jeune femme à l'importance du don d'organes.
Elle commence une carrière dans le mannequinat dès ses neufs ans, un peu par hasard. A douze ans, Katherine fait ses débuts sur le grand écran dans That Night où elle se rend compte qu'elle est plus en accord avec la comédie qu'avec le mannequinat. Après avoir fait un détour dans le film King of the Hill l'année suivante, c'est dans My father, ce héros qu'elle obtient son premier rôle principal aux côtés de Gérard Depardieu. Toujours adolescente, la jeune fille concilie ses études à New Canaan et ses tournages pendants les vacances et week-ends.
Toujours focalisée sur la comédie, Katherine poursuit sa carrière de mannequin à mi-temps en faisant les couvertures de quelques magazines. En 1996, ses parents divorcent et l'année suivante, elle obtient son diplôme à l'issue du lycée pour aller s'installer avec sa mère Los Angeles où cette dernière devient le manager de sa fille.
En 1997 et 1998, Katherine joue dans de nombreuses productions et c'est en 1999 qu'elle se voit proposer un rôle principal dans la série Roswell, qui la fait connaître au grand public. Pendant qu'elle joue dans la série, jusqu'au printemps 2002, l'actrice joue dans quelques films mais c'est à l'arrêt de Roswell qu'elle reprend un rythme de tournage soutenu. Elle revient à la télévision dans Grey's Anatomy où elle confirme son immense potentiel. Aujourd'hui fiancée au musicien Josh Kelley, elle a autrefois été en couple avec Joseph Lawrence et Jason Behr.
