Ксения Владимировна Каталымова родилась 28 июля 1978 в Ленинграде в творческой семье. Унаследовав любовь матери Татьяны Захаровой к искусству, Ксюша занималась танцами, читала стихи, пела и выступала. В составе музыкального хора девушка много путешествовала по Европе. Не без протекции мамы Каталымова уже в 12 впервые снялась в кино – в криминальном детективе «В полосе прибоя» (1990) с Владимиром Кузнецовым и Андреем Болтневым в главных ролях. Сама Ксения планировала связать судьбу именно с музыкой, но опять-таки по настоянию матери передумала и подала документы в Санкт-Петербургскую академию театрального искусства. После окончания ВУЗа она влилась в состав труппы Театра комедии имени Акимова. Конёк Ксении – характерные роли ярких женщин с непростой судьбой. В этом амплуа она достигла серьёзных результатов и не раз становилась лауреатом различных престижных премий. К примеру, за роль Мары в постановке «Доктор философии» Каталымова была награждена «Золотым софитом» – главной театральной наградой Санкт-Петербурга. В дальнейшем она ещё трижды номинировалась на этот почётный приз. Известность в театральных кругах Северной столицы роднит Ксению с другим известным питерским артистом Олегом Румянцевым, с которым они вместе снялись в криминальном сериале «Холод».
Регулярно сниматься в кино Каталымова начала практически сразу после окончания СПбГАТИ. Её дебют состоялся в детективном сериале «Мангуст» (2003), где главные роли исполнили Вадим Карев и Анна Банщикова. Ещё две работы в том же году пришлись на мелодраму «Линия судьбы» с Валентиной Талызиной и Сергеем Гармашем и комедию «Не ссорьтесь, девочки!» с Ксенией Раппопорт. Год спустя три роли – в криминальном сериале «Шахматист» и комедии Владимира Зайкина «На вираже» и знаменитой эпопеи про ментов «Опера: Хроники убойного отдела». В 2005-м – снова три роли: комедии «Подлинная история поручика Ржевского», «Пари» и триллера Александра Хвана «Риэлтор». Поучаствовала Ксения и в культовой саге «Бандитский Петербург», снявшись в девятом фильме «Голландский Пассаж», а также в знаменитом сериале «Жизнь и смерть Леньки Пантелеева». Переход от эпизодических ролей к более серьёзным работам состоялся в 2008 году. В комедии абсурда Ивана Дыховичного «Европа – Азия» Ксения снималась с Ольгой Медынич и Сергеем Шнуровым, а в драме «Время земляники» – с Владимиром Колгановым и Алексеем Петренко. С 2010 года Каталымова снимается в детективном сериале «Морские дьяволы», сыграв подругу Багиры, героини Дарьи Юргенс.
В 2011-м Ксения приняла участие в нашумевшем фэнтези Алёны Званцовой «Небесный суд», собравшем звёздный актёрский состав: Константин Хабенский, Михаил Пореченков, Евгения Добровольская и Дмитрий Марьянов. Каталымова сыграла бармена Татьяну. В фантастической мелодраме всё той же Алёны Званцовой «Московские сумерки» (2012) она исполнила главную роль, составив пару Игорю Гордину. Поучаствовала Ксения и в детективном сериале «Принцип Хабарова» (2013), а также в сатире «Интимные места» (2013), где у неё вторая по значимости женская роль после Олеси Судзиловской. После этого Каталымова сосредоточилась на театральной карьере, в кино возвращалась время от времени. Она заглянула в комедийный сериал канала ТНТ «Ольга» (2016), а также в «Тест на беременность 2» (2019). Регулярные съёмки возобновились с 2021 года, после сериала «Мир! Дружба! Жвачка!», где сыграла Надежду. В комедии «Исправление и наказание» (2022) с Анной Михалковой в главной роли она исполнила жену Ивана в исполнении Тимофея Трибунцева. Ещё одной интересной комедией с участием фэнтезийная комедия стала постановка «Закрыть гештальт» (2022).
Расширенным получилось участие Каталымовой в драматическом сериале «На льду» (2025) – о непростых нравах, царящих в фигурном катании. Ксения сыграла мать одной из юных фигуристок, причём по имени Ксюша. Сериал поднял целый пласт очень серьёзных проблем, став, по сути, сложной социальной драмой, нежели спортивным проектом. Столь же сильным сериалом стала криминальный триллер «Холод» – современной адаптации знаменитого романа Александра Дюма-отца «Граф Монте-Кристо». Каталымова сыграла немку.
Ксения Каталымова замужем за норвежцем Хансом, воспитывает сына Патрика.
