Née à Temora au sud est de l'Australie, Cate Shortland fait ses études de cinéma au sein de l'Australian Film, Television and Radio School où elle obtient une récompense décernée à l'étudiante la plus prometteuse. Une fois son cursus achevé, elle commence par écrire et réaliser trois courts métrages avant de se consacrer à la mise en scène de plusieurs épisodes des séries Bad Cop, Bad Cop (2001 - 2003) et Nos vies secrètes (2002 - 2003).

En 2004, Cate Shortland réalise Le Saut périlleux, son premier long métrage emmené par Abbie Cornish et  Sam Worthington. Ce drame, présenté dans la section Un certain regard lors du Festival de Cannes 2004, suit une adolescente qui quitte son village natal pour se réfugier dans une petite ville située dans l'Australie profonde où elle fait la connaissance d'un fils de fermier charismatique. Deux ans plus tard, elle change de registre avec le téléfilm The Silence qui est un polar.

En 2013, Cate Shortland signe Lore, qui se déroule à la fin de la Seconde Guerre mondiale et où une jeune adolescente, fille d’un haut dignitaire nazi, traverse l’Allemagne avec ses frères et sœurs. Livrés à eux-mêmes, ils rencontrent un jeune rescapé juif. En 2017, elle revient avec un thriller, Berlin Syndrome, où une jeune photographe est retenue prisonnière par jeune homme séduisant qu'elle vient de rencontrer. Le long métrage est disponible sur Netflix.

La notoriété Cate Shortland augmente beaucoup lorsqu'elle est choisie, en juin 2018, pour être aux commandes du blockbuster Marvel Black Widow emmené par Scarlett Johansson (qui pour l'occasion reprend son rôle pour la sixième fois depuis Iron Man 2) et qui est un spin-off centré sur Natasha Romanoff, ex-espionne russe qui a rejoint les États-Unis et le S.H.I.E.L.D., avant d'intégrer le groupe des Avengers. Le film n'a pas encore de date de tournage et de sortie.

La cinéaste Australienne a triomphé des soixante-dix candidat(e)s rencontré(e)s par les producteurs, et notamment d'Amma Asante (Belle), Maggie Betts (Novitiate), Kimberly Peirce (Boys Don't Cry) et Mélanie Laurent, qui faisaient partie des finalistes.