Katharina Thalbach, geboren in eine Theaterfamilie, begann ihre Karriere bereits im Kindesalter. Ihr Vater, der Regisseur Benno Besson, und ihre Mutter, die Schauspielerin Sabine Thalbach, prägten ihre frühen Jahre. Ihre Urgroßvater war der Hofopernsänger Alois Joachim, der von König Ludwig II. ausgezeichnet wurde. Thalbachs Tochter Anna und Enkelin Nellie sind ebenfalls in der Schauspielbranche tätig.

Thalbach debütierte mit vier Jahren in „Begegnung im Dunkel“ (1958) und trat im Laufe ihrer Kindheit in weiteren Produktionen auf. Mit 15 Jahren spielte sie am Berliner Ensemble, unter anderem in der „Dreigroschenoper“. Nach ihrem Abitur 1971 folgten Engagements an verschiedenen Bühnen, darunter die Berliner Volksbühne.

Nach ihrer Übersiedlung nach West-Berlin 1976, aufgrund des Protests gegen die Ausbürgerung Wolf Biermanns, setzte sie ihre Karriere in Westdeutschland fort. Sie hatte verschiedene Theaterrollen und trat auch in Film und Fernsehen auf. Ihre Rollen waren oft starke Frauenfiguren, die gegen gesellschaftliche Missstände kämpften.

Thalbach ist auch als Theaterregisseurin bekannt und hat sich insbesondere mit Shakespeare- und Brechtstücken einen Namen gemacht. Seit Ende der 1980er Jahre inszenierte sie zahlreiche Stücke, darunter „Macbeth“ und „Die Dreigroschenoper“.

Im Bereich des Musiktheaters führte sie ebenfalls Regie, unter anderem in „Don Giovanni“ und „Salome“. Ihre Film- und Fernsehkarriere umfasste Rollen in „Das zweite Erwachen der Christa Klages“, „Die Blechtrommel“ und „Honig im Kopf“. In der ZDF-Reihe „Inspektor Jury“ spielte sie seit 2014 die Tante Agatha Ardry.

Neben ihrer Schauspiel- und Regiearbeit ist Thalbach auch als Synchronsprecherin und Hörbuch-Interpretin tätig. Sie sprach in „Lilo & Stitch“ und „Sing“, sowie in Hörspielproduktionen von Terry Pratchett und Mary Norton.

Thalbach ist seit 1995 Mitglied der Freien Akademie der Künste Hamburg und seit 1999 der Akademie der Künste Berlin. Politisch engagierte sie sich im Februar 2023 als Erstunterzeichner der Petition „Manifest für Frieden“ im Kontext des Russischen Überfalls auf die Ukraine.

Privat war Thalbach kurzzeitig mit dem Schauspieler Vladimir Weigl verheiratet und hatte eine langjährige Beziehung mit dem Schriftsteller Thomas Brasch. Seit 2002 ist sie mit dem Berliner Gourmetkoch Uwe Hamacher liiert, den sie bei Dreharbeiten kennenlernte. Sie lebt in Berlin.