Cate realizó sus estudios secundarios en el Methodist Ladies College de Melbourne, donde llevó a cabo sus primeros intentos artísticos participando en distintas obras de teatro. Posteriormente fue a la Universidad de Melbourne para estudiar Económicas y Bellas Artes; pero, insegura sobre su futuro profesional, la abandonó para dedicarse a viajar y ganar experiencia antes de decidirse por una carrera. Con 18 años, durante su visita a Inglaterra fue forzada a dejar el país debido a la expiración de su Visado. Así, desde Inglaterra se desplazó a Egipto, donde un cliente del hotel de El Cairo, donde se alojaba, le propuso hacer de extra en una película. Y, puesto que necesitaba dinero, decidió participar en ella, dándose cuenta de que la actuación era lo que le gustaba. De esta forma, volvió a Australia y se inscribió en el Instituto Nacional de Arte Dramático de Sídney en el cual se graduó en 1992 para empezar su carrera como actriz.
Sus inicios profesionales empezaron sobre los escenarios de teatro de Australia el mismo año de su graduación (1992) con la obra Electra de Sófocles. A partir de entonces se fue adentrando en el mundo escénico llegando a trabajar junto con Geoffrey Rush, en 1993, representando la obra de teatro Oleanna de David Mamet, y en 1994 haciendo de Ofelia en Hamlet. Su debut cinematográfico llegó el año 1994 cuando consiguió un papel en la película australiana Police Rescue. Participando en series de televisión como Heartland y Parklands mientras mantenía, al mismo tiempo, su trabajo en el teatro.
Fue en el año 1997 cuando, a través de la coproducción cinematográfica australoamericana Camino al paraíso, Cate hizo su salto internacional. A pesar de tener solo un papel secundario como parte de un grupo de mujeres que eran hechas prisioneras por los japoneses en Sumatra durante la Segunda Guerra Mundial, esta participación le permitió compartir escenas con actores tan veteranos como Glenn Close y Frances McDormand. Con esta experiencia, el mismo 1997 consiguió protagonizar su primera película, Oscar y Lucinda, en la que trabajó junto con el actor británico Ralph Fiennes, y por la que recibió una nominación como mejor actriz del Instituto Cinematográfico Australiano. Su excelente interpretación de Lucinda Leplastrier, sin embargo, no sólo le comportó las mejores críticas de su país natal, sino también uno de los mejores papeles de su carrera: el de Isabel I de Inglaterra en la película Elizabeth.
Con Elizabeth, Cate entró directamente en la lista de mejores actrices de la escena internacional. Consiguió su primera nominación a los Óscar como mejor actriz y encandiló a la crítica internacional.
Se dedicó a aceptar sólo aquellos roles que le aportasen nuevas experiencias; como ejemplos, su interpretación en El talento de Mr.Ripley o Un marido ideal
Peter Jackson la dirigió como la reina elfa de El Señor de los Anillos: la Comunidad del Anillo. La pálida y sobrenatural imagen que dio al personaje de Galadriel le valió la aprobación de la mayor parte de los fans de los libros de J. R. R. Tolkien. De esta forma, participó en las tres películas de la trilogía, captando un gran número de admiradores
En el año 2001 interpretó a Charlotte Gray, una joven escocesa que se une a la resistencia francesa, en la película británica del mismo nombre, y en 2003 se la pudo ver en la película Veronica Guerin, donde protagonizó la verdadera historia de Veronica, una periodista irlandesa que se enfrentó a los distribuidores de droga de Dublín.
el año 2003, con Coffee and Cigarettes, un filme de bajo presupuesto sobre vidas paralelas, y el año 2004 con la película Life Aquatic.
En el año 2004 trabajó con Martin Scorsese en El aviador, una película biográfica del gran empresario estadounidense Howard Hughes, el cual fue interpretado por Leonardo DiCaprio.
en 2005 recibió su segunda nominación a los Óscar y, esta vez, para ganar la estatuilla como mejor actriz de reparto.
en 2005, el año 2006 superó todas las expectativas de Cate. Aquel año estrenó tres nuevas películas, y de éstas, las tres fueron nominadas de nuevo a los Premios Óscar. La primera fue Babel, El buen alemán, de Steven Soderbergh, la tercera fue Diario de un escándalo, donde compartió protagonismo con la veterana actriz británica Judi Dench, y de la cual película ambas obtuvieron una respectiva nominación a los Óscar.
el año 2007 la actriz volvió a introducirse en el personaje de Elizabeth, pero, esta vez, treinta años más tarde, en el momento de más gloria de la reina, la que sería llamada La edad de Oro de Inglaterra. En Elizabeth: la edad de oro
La nueva interpretación que hizo de la Buena Reina Bess le valió otra vez una nominación como mejor actriz en los Óscar junto con la que obtuvo como mejor actriz de reparto por su otra película del año, I'm not there. Con éstas, Cate pasaría a ser recordada en la historia del cine como el decimoprimer actor en ser nominado en un mismo año por la Academia de Hollywood en las dos categorías, y la primera actriz en recibir una segunda nominación por un papel anterior.
Cabe destacar, sobre todo, el Globo de Oro y la Copa Volpi que recibió en Venecia por su representación de Bob Dylan en I'm not there.
En 2008 Cate participó en la cuarta entrega de Indiana Jones (Indiana Jones y el Reino de la Calavera de Cristal) y también en una nueva película con un antiguo compañero de rodaje, Brad Pitt (El curioso caso de Benjamin Button). En el 2010 esta previsto el estreno de Robin Hood junto a Russel Crowe-
Con su naturalidad extrema se declara una persona hogareña, ecologista y antibotox. Es contraria a los escándalos e incluso, a veces, a las ventajas que le ofrece la fama.
La actriz goza actualmente de una feliz estabilidad emocional junto a su marido, el guionista y dramaturgo australiano Andrew Upton, a quien conoció en 1996.
Desde entonces han tenido tres hijos: Dashiell John, nacido el 2001, Roman Robert, en 2004, e Ignatius Martin, en 2008.
Además, interviene en algún que otro spot publicitario como la línea de cremas SK-II de Donna Karan del año 2008.
