Simone Signoret et Yves Allégret ont une fille, comment s'appelle-t-elle ? Catherine ! Ainsi naquît Catherine Allegret le 16 avril 1946 à Neuilly-sur-Seine. En réalité, se fut Yves Montand qui fit office de père dès ses 3 ans alors que sa mère avait délaissé le réalisateur pour rejoindre l'acteur. Elle a d'ailleurs publié en 2004 un livre sur sa relation avec son beau-père, intitulé Un monde à l'envers. Elle grandit donc dans un univers plutôt propice à la manifestation de talents.

Elle entre au Théâtre de l'Atelier sous la direction d'André Barsacq après être passée au cours Simon et fait ses débuts dans Ce soir on improvise. Sa première apparition au cinéma dans le film de Peter Ustinov, Lady L, se fait aux côtés de Paul Newman. Elle suit sa voie avec succès dans des films comme Compartiment tueurs de Costa-Gavras, Tout peut arriver de Philippe Labro ou encore L'Aventure, c'est L'Aventure de Claude Lelouch. En 1975, elle partage l'affiche de La Course à l'échalote de Claude Zidi avec Jane Birkin et Pierre Richard.

Les années 80 sont marquées par son entrée dans la série Navarro où elle incarne Ginou, une tenancière d'un café-restaurant, qui donne à l'actrice une image de femme à la fois maternelle et malicieuse. Elle tient ce rôle dans l'ensemble des saisons de la série. Dans le même temps, elle joue avec Claude Brasseur dans Josepha de Christopher Frank en 1982 et L'Orchestre rouge de Jacques Rouffio en 1989.

Longtemps absente des grands écrans, elle revient au cinéma dans Mariages ! en 2004 avec Jean Dujardin et Mathilde Seigner. Mais son retour est réellement marqué par son rôle dans La Môme en 2007 où elle incarne "grand-mère Louise". En 2008, elle effectue un nouveau retour, cette fois-ci sur les planches, dans Les Demoiselles d'Avignon. En 2010, Elle est à l'affiche de Fatal de Michaël Youn et de La Rafle de Roselyne Bosch.

Mais Catherine Allegret n'est pas seulement comédienne et actrice, elle a publié plusieurs livres dont une biographie intitulée Des souvenirs et des regrets aussi. C'est aussi la mère du présentateur télévision Benjamin Castaldi.