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). Elle grandit selon la tradition des Mormons en Virginie, puis à Denver, puis déménage 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.
Katherine Heigl a commencé sur le petit écran en jouant durant trois saisons dans la série
Roswell. Sur le grand écran, elle a tenu son premier rôle majeur face à Gérard Depardieu dans
My Father, Ce Héros. Elle a joué ensuite dans
Piège à Grande Vitesse,
Prince Valiant,
La Fiancée De Chucky,
100 Girls,
Mortelle Saint Valentin.
En 2005, elle explose à nouveau sur le petit écran dans la série événement
Grey'S Anatomy avant de jouer aux côtés de Johnny Knoxville dans
L'Imposteur l'année suivante. En 2007, on la retrouve au casting de la comédie
En Cloque, Mode D'Emploi avec Seth Rogen, mais également sur
27 Robes, un film de Anne Fletcher narrant les histoires d'une jeune femme en proie aux secrets d'amour et aux mariages contrariées.
L'année suivant, elle se retrouve également sur de nouveaux épisode de
Grey'S Anatomy. Elle y joue toujours le rôle du Dr. Izzie Stevens sur la fameuse série de la chaîne ABC. Son rôle dans la récit et sa médiatisation lui vaut d'ailleurs cette même année, le trophée de la blonde la plus sexy, d'après le magazine
Vanity Fair.
En 2009, là voilà dans une nouvelle comédie romantique :
L'Abominable Vérité, de Robert Luketic, dans lequel elle joue aux cotés de Gerard Butler. 2010 la voit jouer en tête d'affiche avec Ashton Kutcher en partenaire et dirigé encore une fois par Robert Luketic dans
Kiss & Kill. L'année suivante,
Katherine Heigl rejoint l'immense casting de
Happy New Year de Garry Marshall, avant de tenir le rôle titre de la comédie romantique
Recherche Bad Boys Désespérément, deuxième long-métrage de la réalisatrice Julie Anne Robinson (après
La Dernière Chanson).