Nativa della Columbia Britannica, il suo vero nome era Catherine Lester. Suo padre, un ufficiale dell'Esercito Canadese, morì nella prima guerra mondiale, mentre sua madre morì di tubercolosi nel 1920. All'età di nove anni, Katherine fu adottata da Cecil B. DeMille e da sua moglie Constance.
La sua prima apparizione sullo schermo, in un ruolo non accreditato, avvenne nel film Madame Satan (1930). Nella sua carriera girò una trentina di film prima di ritirarsi nel 1956.
Il 3 ottobre 1937 la DeMille sposò l'attore Anthony Quinn e da lui ebbe 5 figli: Christopher (nato nel 1939), Christina (nata il 1º dicembre 1941), Catalina (nata il 21 novembre 1942), Duncan (nato il 4 agosto 1945), e Valentina (nata il 26 dicembre 1952)[1]. Christopher morì tragicamente all'età di soli due anni, per annegamento nella piscina della residenza del comico W.C. Fields.
Nel 1953 l'attrice ritirò il Premio Oscar per il miglior attore non protagonista[2] per conto del marito Anthony Quinn, che non era presente alla cerimonia. Il matrimonio con Quinn durò fino al 1965, quando i due divorziarono a causa della relazione dell'attore con la costumista italiana Jolanda Addolori.
