1981-ben született Bogotában. Édesapja állatorvos, édesanyja patológus.[4] Brit alapítású magániskolába járt, és színjátszó leckéket vett, hogy felül emelkedhessen szégyenlősségén.[5] Catalina marketinget tanult a Javeriana Pápai Egyetemen (Pontificia Universidad Javeriana), amikor felkínálták neki María szerepét az Üdvözlégy Mária, kegyelemmel teljes... című filmben. A rendező, Joshua Marston, már három hónapja kereste a megfelelő színésznőt a filmhez.[4] Catalina egy ártatlan vidéki lányt játszik, akinek pénzre van szüksége, ezért elvállalja, hogy heroint szállít az Egyesült Államokba. A film átütő siker lett a nemzetközi filmfesztiválokon, és hírnevet hozott Catalina számára.[6]
2004-ben Charlize Theronnal megosztva Catalina megnyerte az Ezüst Medve-díjat a Berlini Nemzetközi Filmfesztiválon, és ő lett az első kolumbiai színésznő, akit Oscar-díjra jelöltek.[5] 2006-ban feleségül ment David Elwellhez, akit a forgatás alatt ismert meg, és már 2002 óta együtt éltek. 2009-ben született meg első közös gyermekük.[4][5]
2006-ban Catalina felbukkant a Párizs, szeretlek! tizennyolc rövidfilmből álló produkcióban, amelynek minden szekciója a mulandó szerelem egy témáját ragadja meg. Ugyanebben az évben játszott Brendan Fraser oldalán az Utazás az éjszaka mélyén című bűnügyi thrillerben. 2007-ben megkapta Hildebranda szerepét a Szerelem a kolera idején című filmdrámába, amely Gabriel García Márquez regényén alapult, azonban a film nem aratott nagy tetszést. 2008-ban Catalina a kétrészes Che filmsorozatban jelent meg, amely az argentin születésű Che Guavarának, a kubai forradalom legendás vezetőjének életéről szól. Catalina Guavara második feleségét, Aleida Marchot alakítja.
A 2010-es évektől Catalina jobbára thrillerekben szerepel, mint a Rémálom-sziget, a Fulladás vagy A démon arca. 2013-ban volt egy állandó szerepe a nagy sikerű skandináv krimisorozaton alapuló A híd című amerikai tévésorozatban. Catalina a 2015-ben induló A viszony című tévésorozatban játszott, amely 2017-ben befejeződött, és három évadot élt meg. 2018-ban a sorozatot két évaddal meghosszabbították.
2022-ben állandó szereplője lett a From című horrorisztikus drámasorozatnak.
