Née à Miami en 1960, Catherine Keener a passé sa jeunesse à Hialeah, en Floride. Elle a débuté dans Box of moonlight de Tom DiCillo et en 2000, elle a été citée à l’Oscar du Meilleur Second Rôle pour son interprétation de Maxine dans le film de Spike Jonze Dans la peau de John Malkovich.
Elle a été la partenaire d’Al Pacino dans Simone, réalisé par Andrew Niccol, et celle de Robin Williams et Edward Norton dans Crève, Smoochy, crève de Danny DeVito. Elle a joué sous la direction de Steven Soderbergh dans Hors d'atteinte, aux côtés de George Clooney et Jennifer Lopez.
Elle a joué par la suite dans L’interprète de Sydney Pollack, avec Nicole Kidman, et dans le 1er film de Judd Apatow, 40 ans, toujours puceau. Elle a ensuite partagé la vedette de Truman capote de Bennet Miller avec Philip Seymour Hoffman.
En 2008, elle est Jan Burree dans Into the wild de Sean Penn, qui raconte l 'histoire d'un jeune homme de 22 ans, tout juste diplômé et promis à un bel avenir, qui prend la route en laissant tout derrière lui. Puis elle joue dans What just happened ainsi que dans la comédie décalée Hamlet 2.
En 2009, après une compétition officielle à Cannes en 2008, sort Synecdoque, New York, premier film réalisé par Charlie Kaufman dans lequel Catherine joue le rôle d'Adele. Un an plus tard, on la retrouve dans Le soliste de Joe Wright, avec Jamie Foxx et Robert Downey Jr. Puis elle joue la mère d'un demi-dieu dans Percy Jackson, le voleur de foudre réalisé par Chris Colombus.
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