Katie Holmes commence à jouer au théâtre dans les pièces de son lycée. Lors d'une convention pour jeunes talents se déroulant à New York, elle rencontre un agent qui l'encourage à passer des auditions à Los Angeles.

La comédienne apparaît pour la première fois à l'écran dans The Ice storm d'Ang Lee, aux côtés de Tobey Maguire. Mais c'est son rôle de Joey Potter dans la populaire série télévisée Dawson, débutée en 1998, qui propulse sa carrière. Surfant sur son personnage de la série, elle apparaît alors dans des rôles d'adolescentes plus ou moins rebelles (Comportements troublants, Go, Mrs. Tingle).

Au fil des films, Katie Holmes incarne des rôles plus adultes. Manipulatrice dans Intuitions (2000), adolescente naïve dans Wonder Boys (id.) aux côtés de Michael Douglas ou maîtresse d'un Colin Farrell prisonnier d'une cabine téléphonique dans Phone game (2002), l'actrice se fait peu à peu une jolie place à Hollywood.

Elle incarne par la suite la fille du Président des Etats-Unis dans Des étoiles plein les yeux et passe une soirée de Thanksgiving mouvementée dans Pieces of April. En 2005, nouveau cap dans la carrière de la jeune actrice, qui figure au générique de Batman begins, où elle interprète Rachel, la petite amie de Christian Bale, alias Bruce Wayne/Batman.

La même année, la jolie Katie est une journaliste manipulatrice qui séduit Aaron Eckhart pour lui soutirer des informations et détruire sa carrière dans Thank you for smoking (2005) de Jason Reitman. En 2006, elle épouse Tom Cruise, avec lequel elle a une fille Suri Cruise. Le couple se séparera en 2012.

Depuis son apparition dans le premier volet de la trilogie consacrée au chevalier noir par Christopher Nolan, l'actrice peine à faire décoller sa carrière et tourne essentiellement dans des productions de seconde zone où les talents de la comédienne sont sous-exploitées : le fim de braquages au féminin Mad Money (2008), la romance tourmentée Les Meilleurs amis (2010), le film d'horreur Don't Be Afraid of the Dark (id.).

Malgré sa présence au casting du thriller Un flic pour cible (2011) avec Al Pacino, Katie Holmes joue un rôle de faire-valoir en interprétant la compagne de Channing Tatum. Elle retrouve Al Pacino l'année suivante dans un tout autre genre, la comédie Jack et Julie, avec Adam Sandler. Mais force est de constater que l'actrice continue de flotter dans divers registres sans avoir encore réellement trouvé sa place dans la machine hollywoodienne.

En 2014, elle est à l'affiche de The Giver, dystopie avec Jeff Bridges, Meryl Streep et le jeune Brenton Thwaites.