Après des études de danse classique à l'École supérieure de danse de Marseille et à l'Opéra de Paris, Catherine Mougin rejoint la Compagnie chorégraphique Jacques Lefebvre, avec laquelle elle danse pendant six ans. Elle poursuit ensuite sa carrière en tant que danseuse solo dans plusieurs compagnies de danse contemporaine, dont le Ballet de l'Opéra national du Rhin et le Ballet national de Marseille.
En 1994, Catherine Mougin crée sa propre compagnie de danse contemporaine, la Compagnie Catherine Mougin, à Marseille. La même année, elle devient chorégraphe en résidence au Théâtre national populaire d'Aix-en-Provence.
Depuis lors, Catherine Mougin a créé et produit une vingtaine de spectacles de danse contemporaine qui ont été présentés sur les plus grandes scènes de danse en France et à l'international, tels que le Festival d'Avignon, le Festival de Cannes Danse, le Centre national de la danse contemporaine - Angers, la Biennale de Venise, le théâtre de La Ville à Paris, le Brooklyn Academy of Music à New York, et le Théâtre national de Strasbourg.
Catherine Mougin a également collaboré avec plusieurs artistes de renom, tels que le compositeur Karlheinz Stockhausen, les cinéastes Jean-Luc Godard et Peter Greenaway, et les chorégraphes Daniel Larrieu et William Forsythe. Elle est professeure invitée à l'École supérieure de danse contemporaine de Paris-Créteil et à l'Université d'art dramatique et cinématographique de Madrid.
En 2014, Catherine Mougin reçoit le Prix de la Danse de la SACD pour son œuvre. En 2018, elle est nommée chevalier des Arts et des Lettres par le ministre de la Culture française.