Der The Vampire Diaries-Star kommt in Genf in der Schweiz zur Welt, da ihr Vater dort als Journalist für die Vereinten Nationen tätig ist. Ihr Vater stammt aus Liberia und ihre Mutter ist Jüdin russisch-polnischer Abstammung. Ihr Vater ist ebenfalls in der Musikbranche tätig und ist der Pate von Quincy Jones' Kindern. Grahams Großvater dient 40 Jahre lang als UN-Botschafter in den Niederlanden, Schweden, Rumänien und Kenia. Als Graham fünf Jahre alt ist, lassen sich ihre Eltern scheiden. Ein Jahr darauf beginnt ihre Karriere.
Kat Graham steht von ihrem sechsten bis zum 14. Lebensjahr als Model vor der Kamera und macht zahlreiche Werbespots für namhafte Marken. Mit 15 Jahren zieht sie die Aufmerksamkeit der Choreografin und Musik-Video-Regisseurin Fatima Robinson auf sich, die sie zunächst als Background-Tänzerin für die BET Awards engagiert. Anschließend erscheint sie in Musik-Videos als Tänzerin für verschiedene Künstler, unter anderem Missy Elliott, Pharell, Akon oder Usher
Ihr Schauspieldebüt gibt Katerina Graham als Neunjährige an der Seite von Lindsay Lohan in der Familienkomödie „Ein Zwilling kommt selten allein“ (1998). Einen kleinen Durchbruch feiert sie als Moderatorin der Disney-Channel-Newssendung „Movie Surfers“ (2002), danach sammelt die angehende Schauspielerin zunächst Erfahrungen in Gastrollen zahlreicher Serien, wie Lizzie McGuire (2002), Strong Medicine, Malcolm in the Middle (beide 2003), Joan of Arcadia oder Grounded For Life (beide 2004). Auf der großen Leinwand erscheint sie als Tänzerin in der Komödie „Johnson Family Vacation“ (2004)
Daraufhin folgen weitere Gastrollen: O.C. California, CSI: Crime Scene Investigation (beide 2006), Greek (2007), sowie die beiden TV-Spielfilm „Hell on Earth“ (2007) und „Our First Christmas“ (2008). Eine wiederkehrende Rolle hat Graham als Allison, Jacksons (Jason Earles) Freundin, in Hannah Montana und eine weitere Nebenrolle übernimmt sie in der Romanze „17 Again - Back to High School“ (2009). Etwa zur gleichen Zeit veröffentlicht sie ihren ersten Song „Derailed“, den sie selbst geschrieben hat und richtet sich ein eigenes Produktionsstudio ein
Ihren großen Durchbruch feiert die Allrounderin aber erst, als sie die Rolle der Hexe Bonnie Bennett in der beliebten The CW-Serie The Vampire Diaries ergattert, für die sie bei den Teen-Choice Awards mehrmals in der Kategorie Choice TV: Female Scene Stealer ausgezeichnet wird. Seitdem ist sie ebenfalls in einigen weiteren Blockbustern zu sehen: Zusammen mit ihrer Kollegin Nina Dobrev erscheint sie in dem Thriller „The Roommate“ (2011) in einer Nebenrolle und spielt ihre erste Hauptrolle in dem Tanzfilm „Honey 2 - Lass keinen Move aus“ (2011). Daneben steht sie für den Film „Boogie Town“ (2010) neben Brenda Song vor der Kamera, sowie für die Komödie „Dance Fu“ (2011)
Neben ihrer Rolle in „The Vampire Diaries“ feilt Kat Graham an ihrer Musikkarriere. Im Mai 2011 erscheint ihr Musik-Video zu ihrer neuen Single „I Want It All“. 2010 veröffentlicht sie die Single „Sassy“ und anschließend einige Covers, wie beispielsweise Paula Abduls „Cold Hearted“. Für den TVD-Soundtrack steuert die Darstellerin ebenfalls einen Song dazu: „Only Happen When It Rains“ von Garbage in der Episode The Sacrifice
2012 hat sich Kat Graham mit dem Model Cottrell Guidry verlobt. Im Dezember 2014 lösten sie die Verbindung. Katerina Graham ist seit August 2025 mit ihrem langjährigen Freund und Geschäftspartner Bryant Wood verheiratet, nachdem sie sich bereits zwei Jahre zuvor im engsten Kreis das Jawort gegeben hatten. Die Hochzeitsfeier in den kalifornischen Bergen vereinte ihre gemeinsamen kulturellen Wurzeln mit einer jüdischen Zeremonie, afrikanischer Musik und italienischem Essen. Zu ihren engsten Vertrauten zählen noch heute ihre The Vampire Diaries-Kolleginnen Nina Dobrev und Candice King, mit denen sie seit 16 Jahren freundschaftlich verbunden ist. Ihr Kind kam im März 2026 zur Welt.