Die Tochter des Historikers A. F. Parkinson weiß früh, wo sie hin will und schließt schon an der Universität die richtigen Kontakte. Ihr Bühnendebüt gibt sie im Stück „The Age of Consent“, für das sie ihren Kurs an der London Academy of Music and Dramatic Art schmeißt.
Seitdem ist Katherine Parkinson gut beschäftigt, in zahlreichen Filmen und Serien zu Gast. Unter anderem ist sie in der Sketchshow „Katy Brand's Big Ass Show“ zu sehen und als wiederkehrende Figur in der Dramedy „Doc Martin“.
2006 gelingt ihr auch über die Grenzen des Königreichs hinaus der Durchbruch mit der Rolle der Jen Barber in der Serie The IT Crowd, in der auch Chris O'Dowd mitspielt, den sie seit der Universität kennt.
2014 ist sie in der Miniserie The Honourable Woman zu sehen, im Jahr darauf übernimmt sie Hauptrollen in gleich zwei Serien, dem Drama Humans und der Sitcom The Kennedys.
Seit 2009 ist sie mit dem Schauspieler Harry Peacock verheiratet, mit dem sie in der Serie The Kennedys zu sehen ist. Das Paar hat zwei gemeinsame Töchter namens Dora und Gwendolyn.