Fille d'un guitariste et auteur-compositeur, c'est à l'âge de 7 ans que Kate commence à s'intéresser à la musique, quand son père lui fait découvrir Michael Jackson. Quelques mois plus tard, elle écrit sa première chanson sur le furet qu'elle rêvait d'avoir.
En première année de lycée, elle recommence à écrire des chansons et, après en avoir enregistré plusieurs sur une cassette, son père décide de les proposer à des maisons de disques. Sa démo tombe alors entre les mains d'un représentant de la Warner Bros. La jeune chanteuse se voit alors proposer un contrat chez la maison de disquesMaverick Records. À 17 ans, elle sort un EP de cinq chansons The Other Side avec l'aide du producteur Michael Seifert. Par la suite, elle enchaine les premières parties d'artistes tels que Counting Crows et John Mayer. À 19 ans, elle sort son deuxième EP Louder than Words. Elle remporte dans la foulée, plusieurs récompenses pour ces chansons "Only Fooling Myself" et "I Won't Disagree". Kate a pour influences d'autres artistes tels que : Joni Mitchell, Patty Griffin, Shawn Colvin, Carole King, Carly Simon, James Taylor, Eric Clapton, Lisa Loeb, Lucinda Williams…
Alors qu'elle vient d'entrer à l'université de Miami dans l'Ohio pour faire des études d'art et de design, la maison de disques MySpace Records-Interscope Records la repère grâce à son compte MySpace et lui donne la chance de sortir son premier album. Don't Look Away sort en 2007, et Kate devient la première artiste à signer pour eux. Don't Look Away se classe rapidement 63e sur le Billboard 200, faisant 10 000 ventes la semaine de sa sortie. Elle arrête la fac et se lance dans une tournée.
Au cours de cette tournée Kate passe par hasard le casting pour le rôle d'une chanteuse dans la série Les Frères Scott et obtient le rôle de Mia Catalano. Elle y restera finalement 4 saisons au lieu des 2 épisodes pour lesquels elle auditionnait. Rapidement après l'obtention de ce rôle, elle publie deux singles, Only Fooling Myself et Hallelujah de Leonard Cohen, qui se classent tous deux très bien dans les classements aux États-Unis. Dans Les Frères Scott, les scénaristes lui donnent l'occasion d'interpréter bon nombre de ses titres de Don't Look Away et le producteur de la série, Mark Schwahn, décide même de produire son deuxième album, A Fine Mess, qui sort en 2009. Elle en sort un single "99 Times", qui devient son titre le plus diffusé en radio à ce jour.
Puis en 2011, année durant laquelle elle joue pour la dernière fois dans Les Frères Scott, Kate Voegele sort son 3e album, Gravity Happens. En 2014, elle sort un nouvel EP, The Wild Card.
En , Kate part en tournée en Grande-Bretagne avec Tyler Hilton, son ancien partenaire dans Les Frères Scott. Un an plus tard, en , les deux chanteurs repartent en tournée ensemble mais cette fois dans plusieurs grandes villes d'Europe. Le 4e album de Kate, Canyonlands, sort en octobre de la même année et un mois plus tard, elle reprend la route avec Tyler Hilton pour une vingtaine de dates aux États-Unis jusqu'en .
Le , elle épouse Brett Hughes, un joueur professionnel de crosse également originaire de l'Ohio.
