Après une enfance partagée entre la Californie et l'Arizona, Kate Walsh suit une formation au prestigieux Piven Theatre Workshop de Chicago. Elle joue dans des pièces louées par la critique au Shakespeare Repertory ("Born Guilty", "Moon Under Miami" et "Troilus and Cressida", notamment) et décroche des rôles dans deux films indépendants, Normal Life en 1996 et Henry, Portrait d'un Serial Killer 2 en 1998.

La jeune femme part ensuite à New York pour étudier la comédie et l'improvisation et obtient des rôles récurrents dans Le journal intime d'un homme marié et The Drew Carey Show. En 2003, elle figure au casting de Sous le soleil de Toscane, où elle interprète la petite amie de Sandra Oh. Ce premier film à gros budget lui permet d'enchaîner avec d'autres productions comme Coup d'éclat, Kicking & Screaming, Inside Out et Ma sorcière bien-aimée.

La renommée internationale tant attendue n'arrive qu'en 2005 lorsqu'elle prête ses traits au Dr Addison Montgomery-Shepherd dans Grey's Anatomy. Alors qu'elle ne devait rester que quelques épisodes, les producteurs et le public sont conquis et son personnage devient aussitôt régulier. Deux ans plus tard, Shonda Rhimes et ABC créent un spin-off de la série, intitulé Private Practice et centré sur Addison Montgomery.