Son père était ingénieur et sa mère professeur de mathématiques. De vocation précoce, avec une prédilection sensible pour le comique, elle suit dès l'âge de quatorze ans les cours du conservatoire de Versailles, tout en continuant l'école.

Elle entre en 1974 à l'école de la Rue Blanche puis au Conservatoire. À la même époque, elle fait partie des fondateurs de la Compagnie du Chapeau Rouge, fort remarquée au festival d'Avignon off en 1975.

C'est dès lors au théâtre qu'elle va le plus souvent se consacrer, avec en point d'orgue le rôle de la Présidente de Tourvel dans une adaptation des Liaisons dangereuses mise en scène par Gérard Vergez (1987).

Sur les planches, elle joue aussi de nombreux classiques : La Cerisaie et La Mouette de Tchekhov, respectivement mis en scène par Peter Brook en 1982 et Pierre Pradinas en 1985, ou encore John Gabriel Borkman d'Ibsen, dirigé par Luc Bondy en 1993, et des créations comme C'était comment déjà ? de Jean Bouchot, qui lui vaut le Prix de la Critique Théâtrale en 1983.

Liste des films de Catherine Frot

1980 : Mon oncle d'Amérique d'Alain Resnais
1980 : Psy de Philippe de Broca
1981 : Les Babas Cool
1985 : Elsa, Elsa de Didier Haudepin
1986 : Escalier C de Jean-Charles Tacchella
1990 : Chambre à part de Jacky Cukier
1991 : Sushi Sushi de Laurent Perrin
1996 : Un air de famille de Cédric Klapisch
1998 : Paparazzi d'Alain Berbérian
1998 : Le Dîner de cons de Francis Veber
1999 : La Nouvelle Ève de Catherine Corsini
1999 : La Dilettante de Pascal Thomas
2000 : Inséparables de M. Couvelard
2001 : Chaos de Coline Serreau
2002 : Après la vie de Lucas Belvaux
2003 : 7 ans de mariage de Didier Bourdon
2003 : Cavale de Lucas Belvaux
2003 : Chouchou de Merzak Allouache
2003 : Un couple épatant de Lucas Belvaux
2004 : Éros thérapie de Danièle Dubroux
2004 : Vipère au poing de Philippe de Broca
2004 : Les Sœurs fâchées d'Alexandra Leclère
2005 : Boudu de Gérard Jugnot
2005 : Mon petit doigt m'a dit... de Pascal Thomas
2006 : Le Passager de l'été de Florence Moncorgé-Gabin
2006 : La Tourneuse de pages de Denis Dercourt