Catherine Marchal débute sa carrière à 18 ans sur les planches par le théâtre classique tels que Molière, Marivaux ou Musset.

Elle explore ensuite d'autres registres, de la comédie au café-théâtre, en passant par le seul-en-scène, affirmant une grande polyvalence artistique.

À partir des années 2000, Catherine s’impose à l’écran, tournant régulièrement pour la télévision et le cinéma.

Elle apparaît dans plus d’une trentaine de films, parmi lesquels 36 Quai des Orfèvres, MR73, Bronx (d’Olivier Marchal), À 10 minutes de la plage (de Stéphane Kappes) ou encore Diamant treize (de Gilles Béhat)  ainsi que dans de nombreuses séries comme Flics, On va s’aimer un peu beaucoup, Section Zéro, Brocéliande, L’Art du crime ou encore Meurtres en Béarn.

En 2013, elle passe à la mise en scène, signant déjà une dizaine de spectacles, confirmant ainsi son engagement profond pour le théâtre, tant sur scène que derrière le rideau.

Depuis 2020, le grand public la retrouve quotidiennement dans le rôle de Claire Guinot dans la série Ici Tout Commence, diffusée sur TF1.

En 2024/2025, après dix ans d'absence sur les planches, elle marque son grand retour au théâtre avec la comédie de Josiane Balasko Un Grand Cri d’Amour.