Après avoir pris des cours d'art dramatique à l'école de la Rue Blanche, Catherine Jacob fait sa première apparition à l'écran en 1984 dans le film Les Nanas. Mais c'est son one woman show "Bienvenue au Club" qui la révèle au public un an plus tard.

Elle se fait remarquer en 1988 par son interprétation d'une domestique enceinte "par l'opération du Saint-Esprit" dans La Vie est un long fleuve tranquille d'Etienne Chatiliez. Ce rôle lui vaut un César du Meilleur espoir féminin l'année suivante et le début de la célébrité.

Elle travaille à nouveau pour le réalisateur avec autant de succès pour Le Bonheur est dans le pré (1995) et Tatie Danielle (1990) aux côtés de Tsilla Chelton, qu'elle retrouvera plus tard dans La Soif de l'or.

Malgré sa popularité, Catherine Jacob reste souvent cantonnée aux seconds rôles de femmes plantureuses et mères de famille comme dans Neuf mois (1993) de Patrick Braoudé ou encore Merci la vie (1990) de Bertrand Blier où elle interprète la mère de Charlotte Gainsbourg, celle d'Audrey Tautou dans Dieu est grand, je suis toute petite (2001) et celle de Marilou Berry dans La Première fois que j'ai eu 20 ans en 2004. La même année, elle joue les infirmières dans un établissement des plus angoissants dans le thriller Qui a tué Bambi ?. Familière du petit écran, actrice populaire, on a pu la voir ensuite dans Quartier VIP aux côtés de Johnny Hallyday et François Berléand.

Sa carrière est également marquée par des rôles importants, toujours dans le registre de la comédie : Les Braqueuses de Jean-Paul Salomé (1993) mais surtout J'ai faim !!! de Florence Quentin en 2001 où elle assume le rôle principal. En 2006, elle joue dans Les Aristos de Charlotte De Turckheim suivi de Dikkenek.

Après un rôle dans 48 heures par jour de Catherine Castel (II) en 2008, elle incarne dans Thelma, Louise et Chantal de Benoît Pétré, une quinquagénaire émouvante et intense, luttant à sa manière contre la manipulation de la femme et la « misogynie ambiante ». En 2010, elle est également au casting de Streamfield les carnets noirs de Jean-Luc Miesch.