Кетлін Дойл Бейтс народилась в Мемфісі, штат Теннессі. Вона здобула вищу освіту в Південному методичному університеті у Далласі, також була головою жіночого товариства «Альфа, Дельта, Пі». У кіно Бейтс дебютувала в 1971 році. З 1973 року працювала в театрі, отримавши деяку популярність лише після ролі у виставі Злочини серця у 1978 році. У 80-х роках вона активно брала участь в бродвейських постановках, багато знімалася на телебаченні, а в кіно була зайнята у другорядних ролях. До Бейтс прийшла слава після фільму «Мізері» (1990), за який вона отримала премію «Оскар». У наступному році вона знялася фільмі «Смажені зелені помідори», за який була номінована на премії BAFTA та «Золотий глобус». Іншою великою роллю стала роль Моллі Браун у фільмі-катастрофі «Титанік» (1997) режисера Джеймса Камерона.
У 1991 році вона одружилася з актором Тоні Кампізі, з яким прожила до цього 12 років у цивільному шлюбі. У 1997 році вони розлучилися.