Catherine Zeta-Jones nació en Swansea (Gales). Su nombre procede de la unión de los de sus abuelas: Catherine y Zeta. Su padre, galés, era empleado en una fábrica de golosinas, lo que agradaba a Catherine, ya que recuerda que "era como crecer en el país del chocolate". Su madre era una modista de origen irlandés. Catherine fue la segunda de tres hermanos. El mayor se llama David y el menor Lyndon. Fue educada en el catolicismo. Además del inglés, Catherine domina el galés, el español y el francés. Siendo todavía niña, se le practicó una traqueotomía que le dejó una cicatriz.

Desde muy pequeña le llamó mucho la atención el mundo del espectáculo. Le encantaba ser el centro de atención de todos y a los 4 años jugaba con el canalón de la caldera de su abuela como si fuera un micrófono.

Hizo sus primeros pinitos en el teatro de la mano de una congregación católica aficionada al mundo del espectáculo. Comenzó a compaginar su pasión por la actuación con el mundo de la música. Debutó en un orfanato con una versión de Annie con fines benéficos a la edad de once años. Incluso a esa temprana edad llegó a aprenderse de memoria el personaje de Tallullah en "Bugsy Malone".

Tres años más tarde el productor Monkee Mickey Dolenz estuvo de paso por Swansea y Catherine, que entonces contaba con 14 años, tuvo la oportunidad de realizar una audición de voz. El cazatalentos creyó que sería positivo para ambos que aquella niña de ojos brillantes debutara en la producción "The Pajama Game".

A los 15 años, ella abandonó definitivamente sus estudios académicos y se marchó a Londres, donde comenzó a trabajar en serio. Justo dos años le costó embarcarse en un musical de altura, como fue "42nd Street". En un principio, ella era la sustituta de la estrella pero el destino, como en tantas otras ocasiones, quiso que el productor de la obra se encaprichara con su voz y ella fuera el alma de la función. Así que en el resto de las representaciones, ella fue el centro de atención de todas las miradas. Llegó incluso a hacer ocho funciones a la semana, durante casi dos años, cosa que le agotó sobremanera hasta verse forzada a tomarse unos meses sabáticos en Francia para poder asimilar que el éxito le había llegado demasiado rápido y, además, de forma abrumadora. Durante este tiempo hizo su debut en el mundo del cine, protagonizando "Las 1000 y una noches" interpretando a Sheherazade. La película fue dirigida por Philippe De Broca.

Aprovechando el tirón, trató de hacer una tímida incursión en el mercado estadounidense. Al fin, consiguió un papel protagonista para la televisión en la cadena ABC. Intervino en un episodio de "The Young Indiana Jones Chronicles". Un humilde debut que le permitió conseguir una no menos fugaz aparición en "Christopher Columbus. The Discovery", en 1992.

La televisión se mostró más benévola con ella y fue la encargada de brindarle más oportunidades. Pero no sería hasta 1996, después de interpretar el papel de Kate Winslet en la adaptación para la pequeña pantalla de "Titanic", cuando Spielberg, con una gran visión comercial, pensara en ella como la acompañante perfecta de Antonio Banderas para "La Máscara Del Zorro".

Después de esto se la convocó en Roma, donde Sean Connery estaba buscando pareja para protagonizar "La Trampa". En cuanto la vió quedó encantado con ella. En ese mismo año, 1999, rodó junto a Liam Nesson "The Haunting" (La Guarida), película que fue un auténtico fracaso comercial.

Durante este tiempo comenzó su relación con su actual marido, Michael Douglas, 25 años mayor que ella. En Agosto del año 2000 tuvieron su primer hijo, Dylan Michael, y en noviembre del mismo año se casaron. La boda se celebró por todo lo alto.

En el 2000 rodaría "Alta Fidelidad" y "Traffic", junto a su marido, y un año después "La pareja del año", junto a Julia Roberts, Billy Crystal y John Cusack (con el que ya había coincidido anteriormente en "Alta Fidelidad").

Y ya en el 2002 llegaría su mayor éxito, "Chicago", donde Catherine vuelve a sus raíces musicales y con la que ha conseguido el Oscar a la Mejor Actriz de reparto.

En abril del año 2003 Catherine y Michael tuvieron su segundo hijo, esta vez una niña a la que llamaron Carys. También en 2003, protagonizó junto a George Clooney la película "Crueldad intolerable" dirigida por los hermanos Coen.

En 2004 protagoniza "La Terminal" de Steven Spielberg junto a Tom Hanks y "Ocean`s Twelve" en la que la vuelve a dirigir Steven Soderbergh. En 2005 protagonizó "La Leyenda del Zorro" de nuevo junto a Antonio Banderas.

En 2007 estrenó dos nuevas películas: la comedia "Sin reservas", remake de la cinta alemana "Deliciosa Martha", y el drama "El último gran mago" que se presentó mundialmente en el Festival de Toronto...