Fille d'un père ingénieur et d'une mère professeur de mathématiques, Catherine Frot passe son enfance dans différentes villes de province^[2]. De vocation précoce, avec une prédilection sensible pour le comique, elle suit dès l'âge de quatorze ans les cours du conservatoire de Versailles, tout en continuant l'école. Elle entre en 1974 à l'école de la rue Blanche puis au Conservatoire. À la même époque, elle fait partie des fondateurs de la Compagnie du Chapeau Rouge, fort remarquée au festival d'Avignon off en 1975. C'est dès lors au théâtre qu'elle va le plus souvent se consacrer, avec en point d'orgue le rôle de la Présidente de Tourvel dans une adaptation des Liaisons dangereuses mise en scène par Gérard Vergez (1987). Sur les planches, elle joue aussi de nombreux classiques : La Cerisaie et La Mouette de Tchekhov, respectivement mis en scène par Peter Brook en 1982 et Pierre Pradinas en 1985, ou encore John Gabriel Borkman d'Ibsen, dirigé par Luc Bondy en 1993, et des créations comme C'était comment déjà ? de Jean Bouchot, qui lui vaut le Prix de la Critique théâtrale en 1983.

Bien qu'elle eût été nommée en 1987 pour le César de la meilleure actrice dans un second rôle suite à son interprétation de Béatrice dans Escalier C, sa carrière au cinéma ne débute réellement qu'avec le rôle de Yolande dans le film de Cédric Klapisch, Un air de famille, pour lequel on lui décerne cette récompense en 1997. Elle obtient son premier grand rôle dans La Dilettante de Pascal Thomas en 1999, qui la confirme comme une actrice pouvant jouer sur le ton du burlesque et du tragique à la fois. Elle alterne depuis de nombreux premiers rôles dans ces deux registres.