Cathe­rine Jacob voit le jour à Paris et gran­dit à Compiègne en région pari­sienne. Régu­liè­re­ment, elle accom­pagne sa mère, amatrice de théâtre, à la Comé­die-Française. La petite fille a alors le déclic lorsqu'elle voit Cathe­rine Samie dans la pièce Le bour­geois gentil­homme. Son bac en poche, elle choi­sit cepen­dant un parcours clas­sique et s'inscrit aux Beaux-Arts de Paris, en section archi­tec­ture. Mais, rattra­pée par sa fibre artis­tique, elle décide, à 20 ans, de tout quit­ter pour s'instal­ler dans une chambre de bonne et suivre des cours de comé­die. 

Au début des années 80, elle écume les castings et décroche quelques appa­ri­tions dans des télé­films. En 1984, elle appa­raît pour la première fois au cinéma dans Les Nanas d'Annick Lanoë. Deux ans plus tard, pour se faire connaître, elle décide d'écrire un one-woman-show, Bien­ve­nue au club, et se produit sur une petite scène pari­sienne. Pari réussi, en 1988, c'est le rôle d'une domes­tique, Marie-Thérèse, dans le film d'Etienne Chati­liez, La vie est un long fleuve tranquille, qui la révèle au grand public. Cette comé­die rencontre un vif succès, avec plus de quatre millions de spec­ta­teurs, et lui permet de rafler le César du meilleur espoir fémi­nin (1989). Elle retrouve son réali­sa­teur fétiche l'année suivante pour tour­ner Tatie Danielle, nouvelle comé­die qui lui permet d'obte­nir une nomi­na­tion au César de la meilleure actrice dans un second rôle.

La comé­dienne qui excelle dans ce registre séduit de nombreux réali­sa­teurs et enchaîne les seconds rôles; Merci la vie de Bertrand Blier, La soif de l'or de Gérard Oury ou encore Neuf mois de Patrick Braoudé. En 2001, elle incarne le rôle prin­ci­pal de la comé­die J'ai faim!!! de Florence Quen­tin (qui avait signé le scéna­rio de La vie est un long fleuve tranquille). En 2005, elle partage l'affiche de Quar­tier VIP avec Johnny Hally­day, François Berléand et Jean-Claude Brialy, puis tourne Les Aris­tos sous la direc­tion de Char­lotte de Turck­heim l'année suivante. Après le tour­nage, en 2010, de Thelma, Louise et Chan­tal, la comé­dienne se consacre de plus en plus à des projets pour le petit écran et le théâtre.

La pétillante comé­dienne, après de nombreux rôles dans des télé­films, appa­raît dans plusieurs séries télé­vi­sées à partir de 2012; Victoire Bonnot, Vive la colo et La famille Katz. En 2015, elle joue au théâtre de l'Oeuvre dans Madame, pièce de Rémi de Vos et appa­raît dans quatre télé­films dont Merci pour tout Charles qui lui permet de retrou­ver Char­lotte de Turck­heim. En 2016, la comé­dienne partage à nouveau son temps entre les planches (L'Impre­sa­rio de Smyrne de Carlo Goldoni) et le petit écran (Meurtres à Avignon diffu­sée France 3).