Кэтрин младшая[1][3] из пяти детей в семье молекулярного биолога Джеральда Джей Деннингса и поэтессы и логопеда Элли Джудит Литвак[4][5]. Её семья еврейского происхождения[3][6]. Обучалась девочка на дому. Школьный курс она закончила рано, в четырнадцать лет[7]. Вместе с семьёй в 2002 году она перебралась в Лос-Анджелес дабы получить возможность профессионально заняться актёрским ремеслом. Идея Кэт у родителей не встретила поддержки поначалу — профессия актрисы не казалась им чем-то достаточно серьёзным.
Выступать Кэтрин начала ещё ребёнком — у неё был ряд ролей в рекламных проектах, в том числе — в рекламе картофельных чипсов. В 2000 году она впервые получила более крупную роль — на кабельном канале HBO, в проекте «Секс в большом городе». Затем сыграла роль дочери Боба Сейджета в недолговечном проекте «Подрастающий отец»; далее последовали роли в телесериалах «Без следа» и «Клава, давай!». В 2004 году Кэтрин сыграла в картине «Суперзвезда», а в 2005 году получила роль в фильме «Сорокалетний девственник». В 2005 и 2006 годах у неё были эпизодические роли в сериале «Скорая помощь»; в дальнейшем она играла в «C.S.I.: Место преступления Нью-Йорк» и в комедии 2006 года «Дом большой мамочки 2» с Мартином Лоуренсом.
В 2008 году Деннингс сыграла главную роль в картине «Проделки в колледже» — истории о богатом подростке, вынужденном учиться в обычной общеобразовательной школе. Затем последовали роли в фильмах «Мальчикам это нравится» с Анной Фэрис и «Будь моим парнем на пять минут» с Майклом Сера. За последнюю картину Кэт была номинирована на премию «Спутник» в категории «Лучшая женская роль в кинофильме». В 2009 году Деннингс сыграла в «Человек, который всё знал» — истории о популярном писателе, чьи манифесты стали буквально новой Библией. В том же году она получила роль в мрачноватом детском фильме Роберта Родригеса «Камень желаний». Деннингс также снялась в фильме «ЗащитнеГ» и в романтической комедии «Liars (A-E)».
С 2011 по 2017 год снималась в сериале «Две девицы на мели», исполняя в нём одну из главных ролей, Макс Блэк, колкую, знающую жизнь девушку — официантку.
В начале 2021 года Деннингс познакомилась с музыкантом Andrew W.K. в Лос-Анджелесе и вскоре они начали встречаться[12]. 13 мая того же года пара объявила о помолвке, а 27 ноября 2023 года они поженились в своём доме в Лос-Анджелесе[13][14].
