Katherine Moennig ist als Tochter der Broadway-Tänzerin Mary Zahn und Geigenbauer William Moenning in Philadelphia geboren. Sie ist die Nichte der Schauspielerin Blythe Danner und Cousine von Oscargewinnerin Gwyneth Paltrow. Katherine hat deutsche, schottische und irische Wurzeln.
Mit 18 Jahren zog es Katherine Moennig nach New York City, um an der American Academy of Dramatic Arts Schauspiel zu studieren. Sie war zunächst auf der Theaterbühne und als Model zu sehen. Ihre erste große Rolle hat sie im Jahr 2000 in der kurzlebigen Dramaserie Rawley High. Sie spielte Jake Pratt, ein Mädchen, das sich in der Rawley Boys Academy als Junge ausgibt. Sie verliebt sich in den Sohn des Dekans.
Danach ist sie im Jahr 2001 in dem Kinofilm „Love the Hard Way - Atemlos in New York“ zu sehen.
Katherine spielt überwiegend lesbische oder Transgender-Rollen, die immer wieder Spekulationen über ihre Sexualität hervorrufen, doch Katherine selbst hat sich dazu offiziell nicht geäußert. Auch in einer Gastrolle der Krimiserie Law & Order: Special Victims Unit (2001) spielt sie eine transsexuelle Frau. In dem Comedy-Drama „Art School Confidential“ (2006) spielt sie eine lesbische Künstlerin. Danach folgt ihr Off-Broadway-Debüt neben Lee Pace in dem Bühnenstück Guardians. Sie spielt dort eine Soldatin der US-Army, die in einen Skandal verwickelt ist. 2008 übernimmt sie ein Gastauftritt in CSI: Miami. 2009 war sie neben Robert De Niro in einer kleineren Rolle in dem Drama „Everybody's Fine“ auf der Leinwand zu sehen.
Zu ihrem großen Durchbruch verhalf ihr 2004 die Rolle der leichtlebigen androgynen Haarstylistin Shane McCutcheon in der Serie The L Word, die sie bis 2009 mimt.
Im Jahre 2009 war sie in der Hauptrolle als Dr. Miranda Foster in der kurzlebigen Krankenhausserie Three Rivers zu sehen. 2010 hat sie in einer Gastrolle als Tattoo-Künstlerin in der erfolgreichen Showtime-Serie Dexter. Seit 2012 ist sie in der Rolle von Lena in der Serie Ray Donovan zu sehen. In der Serie Grown-ish spielt sie die Rolle von Professor Hewson.