Katharine Mehrling wuchs in Ostheim (Nidderau) auf und besuchte die Schule in Hanau. Ihre Eltern betrieben die Musikkneipe „Tenne“, in welcher Mehrling auch mit ihrer Mutter Margarete auftrat. Margarete Mehrling veröffentlichte unter dem Namen Grit von Osthe in den 1960er Jahren mehrere Schallplatten mit Jazz- und Chanson-Stücken.[2] Bereits als Teenager erhielt Katharine Mehrling von Ralph Siegel einen Plattenvertrag bei seinem Label Jupiter (als „Kathy Joe Daylor“). Unter dem Künstlernamen Cassy trat sie 1987 beim Vorentscheid zum Eurovision Song ContestEin Lied für Brüssel mit dem Titel Aus auf und erreichte den siebten Platz.[3] 1989 veröffentlichte sie mit Schauspieler Christopher Lee die Single Little Witch. Es folgten 1990 das Pop-Album Breakaway und weitere Singles.[4][5]
Anschließend studierte Mehrling Schauspiel und Gesang am London Studio Centre und am Lee Strasberg Theatre Institute in New York. 1993 wurde sie während ihrer Ausbildung von Regisseur Michael Bogdanov als Chrissy für die Revivalproduktion des Musicals Hair im Old Vic Theatre in London engagiert. Beim Bundeswettbewerb Gesang belegte sie 1995 den zweiten Platz; 2011 wurde sie bei diesem Wettbewerb Jury-Mitglied und 2013 Jury-Präsidentin sowie Moderatorin der Preisträgergala im Friedrichstadtpalast.
Im Dezember 2015 feierte Mehrling in zwei Konzerten an der Komischen Oper den 100. Geburtstag der Piaf, in Anwesenheit des Piaf-Komponisten Charles Dumont. Ihr Konzert Katharine Mehrling singt Piaf mit der NDR Radiophilharmonie und dem Dirigenten Enrique Ugarte wurde 2017 im NDR Kultur Radio übertragen.
In ihren Soloprogrammen widmet sich Mehrling dem Jazz und dem französischen Chanson: Hommages, Bonsoir Katharine, Piaf Au Bar, Mehrling Au Bar, Vive La Vie und In Love with Judy. Ihr erstes Album mit selbstgeschriebenen Liedern, Am Rande der Nacht wurde 2011 in den Berliner Hansa Studios produziert. Das Werk zwischen Chanson, Jazz und Blues wurde von Rolf Kühn produziert, der auch größtenteils die Musik und die Arrangements für dieses Album schrieb. Ende 2011 präsentierte der Hessische Rundfunk im großen Sendesaal Ein Abend mit Katharine Mehrling und der HR Big Band unter der Leitung von Jörg Achim Keller. Im Jahr darauf folgte die Show Am Rande der Nacht mit Band, Tänzern, internationalen Artisten und Rolf Kühn im Berliner Wintergarten.[6] Dafür wurde Mehrling von der Stadt Bremerhaven der Lale Andersen Förderpreis verliehen.
Mehrling wirkte im Kinofilm Operation Walküre – Das Stauffenberg-Attentat als Sängerin im Offiziersclub mit und ist mit dem Lied Für eine Nacht voller Seligkeit auf dem Soundtrack zum Film zu hören. 2014 folgte eine Hauptrolle als Jazzsängerin Jeannie Franzen in der Folge Mauritius der Fernsehserie Das Traumschiff. In dem in Kapstadt gedrehten Sat.1-Film Liebe auf den ersten Trick ist sie an der Seite von Dieter Hallervorden, Veronica Ferres und Steffen Groth zu sehen. Im Dezember 2020 trat sie mit Violinist Daniel Hope im Arte-Format Hope@Home auf.[7]
Im Mai 2019 veröffentlichte sie die Single Straßen von Berlin aufgenommen mit dem Filmorchester Babelsberg. Das Video wurde in Berlin mit Jannik Schümann, Tilmar Kuhn und Dagmar Biener gedreht.
Seit ihrer Zusammenarbeit an Paul Abrahams Jazz-Operette Ball im Savoy verbindet Mehrling mit Barrie Kosky eine künstlerische Freundschaft. Mit ihrem gemeinsamen Abend Lonely House widmeten sich die Künstler im Dezember 2019 dem Schaffen des Komponisten Kurt Weill und präsentierten zu zweit französische und amerikanische Lieder aus Weills Exil in Paris und New York. Im August 2021 gab Mehrling ihr Debüt beim Edinburgh International Festival, wo sie mit Barrie Kosky ihren Kurt Weill Abend Lonely House präsentierte.
In der Saison 2022 ist Katharine Mehrling Artist-in-Residence des Kurt-Weill-Fest in Dessau.[8][9] Sie eröffnete das Kulturfest am 25. Februar 2022 gemeinsam mit der Anhaltischen Philharmonie und dem Ensemble Amarcord mit Weills kapitalismuskritischer Satire „Die sieben Todsünden“[10].
2013: Goldener Vorhang für ihre Darstellung der Judy Garland im Schauspiel End of the Rainbow am Schlosspark Theater und ihr Debüt an der Komischen Oper als Daisy Darlington in der Jazzoperette Ball im Savoy