Originaire du Canada, Katheryn Winnick débute sa carrière en 1999 dans un épisode de Psi Factor, chroniques du paranormal qui lui permet de se faire remarquer à la télévision. Elle participe alors à Student Bodies et multiplie les rôles dans des téléfilms, et surtout dans les séries à succès New York Section criminelle, Oz, Les experts, Missing: disparus sans laisser de trace, Esprits Criminels ou encore Dr House qui lui assurent une certaine reconnaissance auprès du public américain.
Au début des années 2000, la jeune femme joue dans des comédies romantiques populaires, aux côtés d’acteurs de renom tel que Hugh Grant et Sandra Bullock dans L’amour sans préavis, ou Adam Sandler et Drew Barrymore pour Amour & amnésie. Son talent de comédienne se confirme, et elle enchaîne alors les romcoms grand public en 2010 avec Ashton Kutcher et Katherine Heigl dans Kiss & Kill, ou encore les prestigieux Jake Gyllenhaal et Anne Hathaway pour Love, et autres drogues. La canadienne revient la même année à la télévision pour interpréter Hannah Burley, la journaliste et petite amie de l’agent spécial Seeley Booth, dans la sixième saison de Bones. Elle participe également aux séries d’action Nikita et Le Transporteur adapté du film éponyme produit par Luc Besson. Mais l’actrice a aussi joué les victimes dans des films d’horreurs, et notamment dans le huitième opus de l’une des sagas les plus cultes du cinéma d’épouvante, à savoir Hellraiser.
En 2012, elle est repérée par Roman Coppola pour interpréter Ivana dans Dans la tête de Charles Swan III, rôle qui confirme son talent de séductrice. Cette importante expérience cinématographique lui permet de rejoindre Al Pacino et Christopher Walken dans Les derniers affranchis, de Fisher Stevens (Lost - Les disparus). L’année suivante, elle incarne Lola dans The Art of the Steal, un film de gangsters parodique avec Kurt Russell et Matt Dillon.
Mais l’actrice doit sa célébrité à la série Vikings dans laquelle elle incarne la guerrière Lagertha, l’épouse de Ragnar Lothbrok joué par Travis Fimmel.
Stéphane Villeneuve