Kate McKinnon grandit dans la petite ville de Sea Town dans l'État de New York. Enfant mélomane, elle apprend le piano, la guitare et le violoncelle ; elle se révèle finalement grâce au théâtre à la prestigieuse université de Columbia, où elle fonde sa propre troupe, le Tea Party, centrée sur l'improvisation comique.
À peine diplômée, Kate McKinnon fait ses armes à la télévision et intègre en 2007 le Big Gay Sketch Show de Logo TV, une jeune chaîne du câble dont les programmes sont destinés à un public LGBT. Elle y incarne de nombreux personnages pendant les trois saisons de l'émission, notamment aux côtés de Colman Domingo. La jeune comédienne ne s'arrête pas là et multiplie les apparitions au théâtre et les expériences de doublage.
Kate McKinnon rejoint l'équipe du mythique Saturday Night Live de NBC en 2012, d'abord en tant que figurante. Elle devient alors la première femme ouvertement lesbienne à faire partie du show comique préféré des Américains (l'homosexualité de Danitra Vance n'avait été révélée qu'après sa mort en 1990). Deux ans plus tard, la jeune femme fait désormais partie des membres principaux de la troupe ; son travail est remarqué et plusieurs fois salué aux Emmy Awards, et elle remporte l'American Comedy Award pour la Meilleure actrice dans un second rôle en 2014. Ses incarnations d'Hillary Clinton sont particulièrement appréciées.
Kate McKinnon gagne donc en popularité, et c'est tout naturellement qu'Hollywood commence à lui faire les yeux doux. L'actrice se cantonne toutefois à quelques apparitions, dans Intramural, Life Partners ou Ted 2. Elle explose véritablement dans le reboot féminin de S.O.S. Fantômes signé Paul Feig, aux côtés d'autres figures de proue du SNL, Kristen Wiig, Melissa McCarthy et Leslie Jones.
Cécile Desclaux