נולדה בשם זלמה קתרין אליזבת הדריק (Zelma Kathryn Elisabeth Hedrick) בצפון קרוליינה. כשקתרין הייתה בת כ-12 עברה המשפחה לסנט לואיס, מיזורי וקתרין החלה ללמוד פיתוח קול בבית האופרה העירוני ובבית האופרה של שיקגו.
ב-1940 גילה אותה סוכן של MGM בפסטיבל מוזיקלי וב-1941לוהקה לסרט "Andy Hardy's Private Secretary" בו הופיעה במספר אירועים מוזיקליים עם מיקי רוני. שנה לאחר מכן הופיעה בסרטים "The Vanishing Virginian", "Rio Rita" (בתפקיד הראשי, לצד אבוט וקוסטלו) ו-"Seven Sweethearts", כולם עיבודים קולנועיים למחזות זמר.
לאור הצלחת סרטים אלה ניסו מנהלי MGM ליצור מסינטרה וגרייסון צמד וליהקו אותם יחדיו לסרטים הכושלים "זה קרה בברוקלין" (1947) ו"The Kissing Bandit" (1948). השילוב בין קולו של סינטרה לקולה האופראי של גרייסון נחשב ללא מוצלח בלשון המעטה.
לאחר שפרשה עברה להופיע על הבמות במחזות זמר כ"ספינת השעשועים", "נשקיני קייט" ו"האלמנה העליזה". בין השנים 1962 ל-1964 החליפה את ג'ולי אנדרוז ב"קאמלוט" בברודוויי. במקביל הופיעה בהפקות-קיץ של בתי אופרה. למרות רצונה העז, מעולם לא הוזמנה לשיר במטרופוליטן אופרה.