Destinée à devenir nageuse professionnelle, Katee Sackhoff embrasse la carrière d'actrice suite à une grave blessure au genou à 15 ans. Elle quitte son Oregon natal pour Los Angeles où elle décroche finalement, trois ans plus tard, le rôle de Karen Gotus dans le téléfilm de Lifetime Fifteen and Pregnant, aux côtés de Kirsten Dunst.

La jeune actrice incarne ensuite un personnage régulier dans la brève série d'ABC Family The Fearing Mind. En 2001, elle figure au casting du 8e volet de la saga Halloween intitulé Halloween resurrection. Elle fait quelques apparitions en guest-star dans plusieurs séries, notamment Urgences, Zoé, Duncan, Jack et Jane ou encore Cold Case.

Le succès arrive en 2003 lorsqu'elle reprend le personnage du lieutenant Starbuck, de son vrai nom Kara Thrace, dans Battlestar Galactica. Bien que le rôle ait été tenu par un homme dans la série d'origine, Galactica, le public adopte aussitôt la jeune femme. Elle est nommée à trois reprises aux Saturn Awards et remporte, en 2004, le trophée de la "Meilleure Actrice Secondaire dans une Série".

En 2006, Katee Sackhoff tourne avec Nathan Fillion dans La Voix des morts : la lumière, puis avec le champion d'arts martiaux Don "The Dragon" Wilson dans The Last Sentinel. L'année suivante, elle rejoint le casting du pilote de Bionic Woman et son personnage, Sarah Corvus, devient récurrent.