Elle a commencé sa carrière d'actrice en 2003, en jouant dans un épisode de la série télévisée "RIS police scientifique". Elle a ensuite obtenu des rôles dans diverses séries comme "Engrenages", "Maison close" et "Plus belle la vie".
Son premier grand rôle au cinéma est venu en 2011 avec le film "Polisse", où elle interprète le personnage d'Alexa. Cette performance lui a valu de nombreux prix, dont un César de la meilleure actrice dans un second rôle.
En 2014, Cathérine Hiegel a reçu le Molière du meilleur comédien pour son interprétation de Laetitia dans la pièce "Et puis on sort". Elle a également joué dans des pièces telles que "Haute Tension", "Monsieur Ibrahim et les Fleurs du Coran" et "On ne sait jamais".
En 2018, elle a reçu son deuxième César de la meilleure actrice dans un second rôle pour son interprétation de la juge Mireille Mathé dans le film "Un peuple et son roi". Elle a également été nominée pour un Molière du meilleur comédien en 2019 pour sa performance dans la pièce "L'Amant de Lady Chatterley".
Cathérine Hiegel est également active dans le doublage, ayant notamment prêté sa voix à différents personnages de dessins animés et d'animations. Elle est également une figure populaire sur les réseaux sociaux, où elle partage des images et des messages qui la font aborder diverses sujets tels que le féminisme, l'environnement et la lutte contre le racisme.
En 2021, Cathérine Hiegel a reçu une nouvelle nomination au César du meilleur acteur dans un second rôle pour son interprétation de Sylviane dans le film "Les Choses qu'on dit, les choses qu'on fait". Elle continue à poursuivre sa carrière d'actrice et à être l'une des plus importantes figures du cinéma français.