Кэтрин родилась 25 марта 1984 года в Лос-Анджелесе, штат Калифорния. Ее отец, Даниэль МакФи, работал в качестве продюсера на телеканале. Мать, Патрисия Барч, более известная под сценическим псевдонимом Пейша Артен, была преподавательницей вокала и певицей кабаре, помимо прочего с 2011 года обучавшая вокальному мастерству в рамках телешоу «American Idol». От своих родителей девочка унаследовала смешанные ирландские, шотландские и немецкие корни. Помимо Кэтрин, в семье также воспитывалась ее старшая сестра Адриана, которая в выборе профессии пошла по стопам Патрисии и в 2012 году также появилась в шоу талантов «American Idol» в качестве тренера во вокалу. Когда Кэтрин исполнилось двенадцать лет, вся семья переехала в престижный лос-анджелесский район Шерман Окс. Мать стала первой, кто обнаружил вокальный талант дочери. Именно Патрисия начала давать Кэтрин уроки пения. Поступив в среднюю школу Notre Dame High School, МакФи стала постоянной участницей всех школьных постановок. После окончания обучения в 2002 году она успешно преодолела вступительные экзамены и была зачислена в Бостонскую Консерваторию. Спустя всего три семестра Кэтрин по настоятельной рекомендации своего агента оставила учебное заведение и вернулась в Лос-Анджелес для участия в запуске нескольких пилотных телевизионных проектов. Первым проектом стал пробный выпуск мыльной оперы «You Are Here», снимаемой для телеканала MTV, где начинающей актрисе предложили роль старшей из двух сестер. Проект был заморожен в самом начале, и ни одна его серия так и не вышла на экраны. В 2005 году МакФи получила ведущую роль в мюзикле «Annie Get Your Gun». В 2007 году она приняла участие в съемках музыкальной биографической драмы Рика Бибера «Crazy», основанной на истории жизни гитариста Фрэнка Гарланда. В этот период времени у актрисы обнаружились серьезные проблемы со здоровьем. Они были вызваны расстройством пищеварения в результате голодных диет, которыми девушка чрезмерно увлекалась в возрасте с тринадцати до семнадцати лет. На лечение и полное восстановление ушло несколько лет. В 2008 году МакФи сыграла роль Хармони в комедии Фреда Вулфа «Мальчикам это нравится». Начиная с 2009 года, Кэтрин приступила к работе над комедийным телесериалом Джо Руссо, Тристрама Шапиро и Энтони Руссо «Сообщество». В 2011 году актриса появилась в фильме ужасов Дэвида Р. Эллиса «Челюсти 3D», где ее партнерами стали Сара Пэкстон, Дастин Миллиган и Крис Кармак. Затем последовала работа в драматической комедии Брюса Бересфорда «Мир, любовь и недопонимание». Первую главную роль Кэтрин сыграла в приключенческой комедии Роба Хеддена «Притворись моим мужем». Героиней МакФи стала дочь хорватского криминального авторитета, Маша Никитина. В 2012 году начались съемки музыкального телесериала Майкла Морриса, Майкла Майера и Тришии Брок «Жизнь как шоу», рассказывающего о жизни бродвейских театров. На этот раз Кэтрин появилась в образе талантливой молодой артистки Карен Картрайт.
