Originaire de Sardaigne, Caterina Murino entame une carrière de mannequin après avoir décroché la quatrième place du concours Miss Italie en 1996. Aspirant au métier de comédienne, elle se produit sur les planches à partir de 1999 et fait ses débuts sur le petit écran en 2002, apparaissant notamment dans la série Don Matteo et dans le téléfilm Le Jeune Casanova.

Au générique du film italo-argentin Nowhere (2002), Caterina Murino remporte son premier rôle important, celui de Léa, dans la comédie française L'Enquête corse (2004) adaptée de la célèbre bande dessinée de Pétillon. Sous le charme de la belle Italienne, son partenaire Christian Clavier l'engage dans la folle aventure des Bronzés 3 amis pour la vie. Entre-temps, l'actrice parvient à faire tourner la tête des flics Pascal Elbé et Jean Dujardin dans L'Amour aux trousses (2005).

Ne s'arrêtant pas en si bon chemin, elle tente une carrière internationale, décrochant au passage le rôle de la James Bond girl Solange Dimitrios dans le Casino Royale (2006) de Martin Campbell. De retour sur sa terre natale, elle tourne Ciao Stefano (2008) de Gianni Zanasi, puis apparaît la même année dans Le Grand alibi de Pascal Bonitzer et Made in Italy de Stéphane Giusti.

En 2008, l'actrice élargit sa carrière internationale puisqu'elle figure au casting de la coproduction XIII au côté de Stephen Dorff. Cheveux courts et piercings de rigueur, elle interprète Sam, jeune fille venant en aide au mythique personnage imaginé par Jean Van Hamme. Tout en tournant pour des productions anglo-saxonnes, Caterina Murino n'oublie pas pour autant la France affichant une certaine prédisposition pour les thrillers à l'image de Comme les 5 doigts de la main d'Alexandre Arcady en 2010 ou La Proie d'Eric Valette l'année suivante. La comédienne s'essaie également au doublage pour le film d'animation Les Pirates! Bons à rien, mauvais en tout de Peter Lord en 2012.

Les années qui suivent sont davantage marquées par des expériences à la télévision pour l'actrice italienne tant en France qu'à l'étranger. Elle reprend notamment son rôle dans XIII désormais déclinée en série de plusieurs épisodes et revient en Italie pour tourner dans la série policière Zen dans laquelle elle donne la réplique à l'acteur britannique Rufus Sewell. Concernant les séries françaises, elle incarne tout aussi bien le rôle d'Athéna dans l'ambitieuse série Odysseus adaptée de "L'Odyssée" d'Homère qu'une italienne à New York dans plusieurs épisodes de la production de Luc Besson, Taxi Brooklyn.

En 2015, la comédienne revient au cinéma avec le thriller Antigang de Benjamin Rocher dans lequel elle retrouve Jean Reno, onze ans après L'Enquête Corse. L'actrice retourne également sur ses terres en Italie pour y tourner le thriller Voice from the Stone réalisé par Eric D. Howell et dans lequel elle joue en anglais face à l'une des vedettes féminines de la série Game of Thrones, Emilia Clarke.