Kate nació y se crió en Bedford, Nueva York, y comenzó a actuar a los 14 años en teatros locales. A los 15 años, dio el salto al cine con 'Caprichos del destino' (Random Hearts), dirigida por Sydney Pollack. Al año siguiente coprotagonizó la película de Gary Winick sobre el tránsito a la madurez Tadpole.

Otros de sus trabajos para el cine son 'Brokeback Mountain', película de Ang Lee en la que interpreta a la hija de Heath Ledger; Transsiberian, de Brad Anderson, con Ben Kingsley y Woody Harrelson en los papeles protagonistas; Equipo Marshall (We Are Marshall), de Joseph McGinty Nichol (McG); Shooter: el tirador, de Antoine Fuqua, con Mark Wahlberg; Stone of Destiny, de Charles Martin Smith, con Charlie Cox; y The Open Road, de Michael Meredith, con Justin Timberlake y Jeff Bridges.

En 2009, Mara rodó Happythankyoumoreplease, de Josh Radnor, con Malin Akerman y el propio Radnor; Peep World, de Barry Blaustein, con Michael C. Hall, Sarah Silverman, Ben Schwartz y Rainn Wilson; Iron Man 2, de Jon Favreau, con Robert Downey Jr.; y Templario (Ironclad), de Jonathan English, con Paul Giamatti y James Purefoy.

En 2010, actuó con James Franco y Amber Tamblyn en 127 horas (127 Hours), de Danny Boyle. 127 horas y Peep World se presentaron en el Festival Internacional de Cine de Toronto en 2010, mientras que Happythankyoumoreplease participó en el Festival Internacional de Cine de Sundance del mismo año, donde recibió el premio del público. Su estreno en Nueva York fue en el Festival de Cine GenArt Film Festival, donde volvió a ganar un premio del público a la mejor película en abril de 2010.

Mara también rodó 'Ten Years', escrita y dirigida por Jamie Linden, en la que aparece junto a Channing Tatum, Rosario Dawson y Anthony Mackie. La actriz también ha trabajado en numerosas series de televisión, como '24', 'El séquito', 'American Horror Story' y 'House of Cards'.