A kőbányai Kanzler család hetedik gyerekeként született a Százados úti lakónegyedben 1910. december 8-án. A szegénységet cipészmester apja agressziója is tetézte. A kislány egy nemzetközi akció keretében öt évet Svájcban, illetve Hollandiában élt, ahol nyelveket tanult. Hazatérve a Kereskedelmi Leányiskola tanulója lett. 1930-ban hozzáment egy nála tizennyolc évvel idősebb adóhivatali vámtiszthez, de három évvel később elváltak. 

Ezután fordult Katalin érdeklődése a színészet felé. Pályája viszonylag későn indult, huszonhat éves volt, amikor Egyed Zoltán színikritikus felfigyelt a tehetségére. Ő javasolta a névváltoztatást, és segített később a menedzsereként kialakítani a hollywodi sztárokéhoz hasonlatos imázsát. Karády többek közt Aczél Ilona színésznő tanodájában vett órákat. Első fellépésére a harmincas évek végén, Jób Dániel színházában, Somerset Maugham Az asszony és ördög című darabjában került sor. 1939–1941 között a Pesti és a Vígszínházban lépett fel különböző szerepekben. 

Az áttörést az első mozifilm, a Halálos tavasz hozta meg számára 1939-ben. Mély hangjával és a "végzet asszonya" karakterével szexszimbólum lett. Több mint húsz filmben szerepelt, néha nadrágkosztümben jelent meg a vásznon, amivel külön botrányt kavart. Magánéletéről legendák kaptak szárnyra. Vőlegénye Ujszászy István, Horthy kémfőnöke volt, aki a kérésére hazahozatta szövegíróját, G. Dénes Györgyöt (Zsütit) a munkaszolgálatból. 

A németek bevonulása után háttérbe szorult, a nyilasok betiltották „a magyar néplélektől idegen” dalait. A nehézségek közepette a színésznő zsidókat mentett, ékszerekkel lefizette a nyilasokat, és főleg gyerekeket bújtatott a lakásában. „Azzal a korszakkal azért szálltam szembe, mert az én gyenge lelkületem nem bírta elviselni, hogy tízezrével viszik az embereket a vagonokba, a halálba. Segítettem, bújtattam, hiszen három lakásom volt akkoriban, s ha már elvittek valakit, utánamentem, és kihoztam Kistarcsáról is” - írja emlékirataiban. 

1944. április 18-án, a szövetségeseknek való kémkedés vádjával, vőlegényével együtt elhurcolta a Gestapo. Három hónapig fogva tartották, megkínozták, verték, megerőszakolták (ennek tulajdonította, hogy soha nem lett gyereke). Fogolytársaiban az énekével próbálta tartani a lelket. Végül Ujszászy barátai szabadították ki. Lakását kifosztották. Testileg, lelkileg összetörve várta a vőlegényével való találkozást. Hamarosan kiderült, hogy Ujszászyt megölték, erre idegösszeroppanást kapott és közel egy évig ágyban feküdt.  

Zilahy Lajossal együtt alapító tagja lett a Magyar–Szovjet Művelődési Társaságnak. Ekkor lemezre vett több orosz témájú dalt. Ilyen volt a Katyusa, a Munka után, a Csendes az éj  és a Gyévuska. Ennek ellenére fokozatosan mellőzötté vált: a kommunizmusban nem jutott hely a Horthy-rendszer ünnepelt sztárjának.

1945–48 között még az Operettszínház foglalkoztatta, több operett főszerepét játszotta el. Az újrainduló magyar filmgyártás viszont már nem számolt vele. 1947-ben szerepelt ugyan a Betlehemi királyok című rövidfilmben, majd játszott még az 1948-as Forró mezőkben, de ez már az utolsó filmje volt.  1949-ben a hivatalos kultúrpolitika betiltotta a filmjeit, ő maga pedig nem léphetett fel többé budapesti nagyszínházban. 1950 nyarán, Gobbi Hilda közbenjárásával még felléphetett a Fővárosi Nagycirkuszban megrendezett „Színészek a porondon” című esztrádműsorban. Valószínűleg ez volt a legutolsó budapesti fellépése. A vidéki kultúrházakból kifütyülték.

1951-ben végleg elhagyta Magyarországot, egy fellépése után Frank Irma barátnőjével és Mohácsi Ilona öltöztetőnőjével, valamint Lantos Olivérrel, a korszak híres táncdalénekesével és egy nardai embercsempésszel elindult a magyar–osztrák határ felé. Dozmaton csatlakozott hozzájuk még egy nardai személy, aki segítségével Felsőcsatár és Narda között, a téglaégetőnél átlépték az államhatárt. Szerencsésen megérkezett Grazba, a hatalom azonban bosszút állt a családján: elvették házukat, kitelepítették őket, édesanyja bele is halt a megaláztatásokba.

Salzburgba, majd Svájcba költözött, utána Brüsszelben élt. 1953-ban Brazíliába, São Paulóba költözött, és divatáru-üzletet nyitott. 1968-ban megkapta az amerikai vízumot, s New Yorkban telepedett le, ahol egy kalapszalont vezetett. Bár az Egyesült Államokban elvállalt néhány fellépést, és lemezei is megjelentek, alapvetően visszavonultan élt. Médiaszerepléseket csak nagyon ritkán vállalt. 

1989-ben hazatérést tervezte, de 1990. február 8-án New Yorkban meghalt. 1990. február 19-én, Budapesten, a Szent István-Bazilikában ravatalozták fel, majd a Farkasréti temető 22/1-es parcellájában helyezték örök nyugalomra.

2001-ben Bacsó Péter a Hamvadó cigarettavég… című filmben emlékezett meg róla.

A Knesszet 1953-as törvénye alapján a jeruzsálemi Jad Vasem Intézet a vészkorszak alatt tanúsított hősies, humanitárius tetteiért 2004 decemberében posztumusz a Világ Igaza kitüntetést adományozta Karády Katalinnak.

2011-ben Karády Katalin Múzeum nyílt Budapesten.