Après avoir terminé ses études secondaires à l'école de Beverly Hills, Cathy Sara se lance immédiatement dans une carrière dans le monde du spectacle. Elle rejoint la troupe de comédiens improvisateurs The Groundlings et participe activement à plusieurs productions théâtrales indépendantes avant d'être repérée par des producteurs de télévision.
En 2003, Cathy Sara fait ses débuts télévisés dans la sitcom *Scrubs*, où elle incarne le personnage récurrent de Kelly, infirmière et petite amie du protagoniste J.D.. Sa performance est remarquée par les critiques qui soulignent son charme et sa capacité à jouer des scènes drôles tout en donnant des accents émouvants aux situations plus sérieuses.
En 2007, Cathy Sara obtient le rôle principal dans la sitcom *The Big Bang Theory*, où elle interprète Penny, une jeune actrice en herbe qui se lie d'amitié avec les quatre personnages masculins principaux, des scientifiques passionnés et solitaires. L'interprétation de Cathy Sara est également appréciée par la critique qui souligne son charme et sa capacité à donner à Penny un côté doux et sensibilité tout en lui faisant jouer des scènes comiques avec panache.
En plus de son activité télévisuelle, Cathy Sara a également participé à plusieurs productions cinématographiques, tels que *Les Infortunés*, *Tout pour le mieux* et *The Hangover Part III*. Son travail est salué par la critique qui souligne sa capacité à jouer des rôles diversifiés avec panache.
En 2015, Cathy Sara est nommée aux Emmy Awards pour son interprétation de Penny dans *The Big Bang Theory*. Elle a également remporté plusieurs prix et reconnaissances pour son activité artistique.
En dehors du monde du spectacle, Cathy Sara s'implique activement dans des causes humanitaires et milite notamment en faveur des droits des femmes et de l'environnement. Elle est également très impliquée dans la promotion de divers projets caritatifs et participe régulièrement à des événements bénéphiques.
En 2019, Cathy Sara annonce sa grossesse et son mariage avec son partenaire d'alors, le joueur de tennis professionnel Ryan Sweeting. Le couple divorce en 2020, mais Cathy Sara n'a pas encore évoqué à nouveau l'amour dans sa vie publique.