Issue d'une famille de comédiens, Kate Winslet entre dès l'âge de onze ans à la Redroofs Theater School pour commencer sa formation d'actrice. Sa carrière débute deux ans plus tard dans un spot publicitaire pour la télévision anglaise.

En 1994, Kate Winslet se révèle au grand public avec le rôle de Juliet Hulme dans Créatures célestes de Peter Jackson. Sa carrière américaine débute quant à elle en 1996 avec deux rôles en costumes dans Jude et Hamlet, où elle incarne Ophélie. On la retrouve ensuite aux côtés de Hugh Grant et Emma Thompson dans Raison et sentiments, réalisé par Ang Lee. En 1997, elle connaît la consécration internationale avec le Titanic de James Cameron, bouleversante histoire d'amour dans laquelle elle partage l'affiche avec Leonardo DiCaprio.

Malgré un succès d'une telle ampleur, elle tourne ensuite dans des productions beaucoup plus modestes, comme Marrakech Express et Holy Smoke, puis renoue avec le film en costumes pour Quills - la plume et le sang.

Comédienne de défis, Kate Winslet aborde le thème de la peine de mort dans La Vie de David Gale, réalisé par Alan Parker, bouleverse les codes de la comédie sentimentale avec Eternal sunshine of the spotless mind, aux côtés de Jim Carrey, avant d'incarner Sylvia Llewelyn Davies, mère courage des enfants qui inspirèrent au dramaturge J.M. Barrie son Peter Pan, dans Neverland.

Kate Winslet continue de jongler avec des registres différents en tenant le rôle d'Anne Stanton dans le drame Les Fous du roi et partage l'affiche avec Cameron Diaz dans la comédie romantique The Holiday. Elle prête ensuite sa voix au film d'animation Souris City, et elle devient la narratrice du Renard et l'enfant, pour la version américaine, remplaçante d'Isabelle Carré en France.

Dans des registres plus sombres et dramatiques, Kate Winslet tient la vedette en 2006 de Little Children de Todd Field, en 2009 des Noces rebelles réalisé par Sam Mendes (son mari), qui marque ses grandes retrouvailles avec Leonardo DiCaprio plus de 10 ans après Titanic, ainsi que de The Reader la même année, où elle joue une femme accusée de crimes nazis pendant la Seconde Guerre mondiale. Sa prestation lui permet d'obtenir l'oscar de la meilleure actrice.

Absente des plateaux depuis trois ans, elle fait son retour sous les feux des projecteurs en 2011 puisqu'elle est à l'affiche du huis clos Carnages de Roman Polanski ainsi que du film de science fiction Contagion de Steven Soderbergh. Après quoi, la comédienne apparaît au casting du film à sketch My Movie Project puis tient le rôle principal, aux côtés de Josh Brolin, de l'émouvant Last Days of Summer, la nouvelle réalisation de Jason Reitman.

En 2014, plus de quinze années après le succès de Titanic, Kate Winslet est à nouveau à l'affiche d'un blockbuster puisqu'elle se glisse dans la peau de l'antagoniste de la lucrative saga Divergente face à la jeune star du moment Shailene Woodley. Elle retrouve également Alan Rickman qui la dirige dans son nouveau film Les Jardins du Roi, puis prend part au biopic de Steve Jobs mis en scène par Danny Boyle, avec le très à la mode Michael Fassbender dans le rôle-titre.

En 2016, Kate Winslet campe une terrifiante mafieuse dans Triple 9, puis tente de survivre dans la nature la plus sauvage en compagnie d'Idris Elba dans La Montagne entre nous l'année suivante. Elle collabore ensuite avec plusieurs metteurs en scène prestigieux : Woody Allen (Wonder Wheel), Roger Michell (Blackbird) et Wes Anderson (The French Dispatch), avant de rejoindre le tournage d'Avatar 2, durant lequel elle bat le record de temps d'apnée sur un film (sept minutes et 14 secondes !).

Début 2021, la native de Reading se glisse dans la peau de l'héroïne de la série HBO Mare of Easttown, une policière acharnée qui voit sa vie personnelle partir en déliquescence en même temps qu'elle enquête sur le meurtre d'une jeune fille.