Kathryn Hahn wuchs in Cleveland in Ohio auf. Sie absolvierte an der Northwestern University Theaterkunst, später studierte sie Dramatik an der Yale University. Danach trat sie in einigen Theaterstücken auf.
Ihre erste Filmrolle spielte sie in der KomödieFlushed aus dem Jahr 1999. Von 2001 bis zum Ende der Serie 2007 spielte sie in der Krimiserie Crossing Jordan – Pathologin mit Profil die Rolle von Lily Lebowski. In der Komödie Wie werde ich ihn los – in 10 Tagen? von 2003 spielte sie die Rolle von Michelle Rubin, einer Freundin von Andie Anderson (Kate Hudson), die in einer der Szenen gegenüber Ben Barry (Matthew McConaughey) eine Beziehungstherapeutin spielt. 2004 war sie in der Komödie Anchorman – Die Legende von Ron Burgundy neben Will Ferrell und Christina Applegate zu sehen. 2011 war Hahn in der Hauptrolle der Helen neben Hank Azaria und Anthony Head in der NBC-Serie Free Agents, der US-Adaption der gleichnamigen britischen Fernsehserie, zu sehen.[1] Die Serie wurde bereits nach der vierten Folge aufgrund der geringen Zuschauerzahlen abgesetzt.[2] Es folgten weitere Film- und Fernsehrollen. 2022 spielte sie in der Serie WandaVision mit und übernahm 2024 die Hauptrolle in der Folgeserie Agatha All Along. Ihr Schaffen umfasst rund 80 Produktionen.
Hahn ist seit dem Jahr 2002 mit dem Schauspieler Ethan Sandler verheiratet. Sie leben in Los Angeles mit ihren 2006 und 2009 geborenen Kindern.