Katherine Marie Heigl nació el 24 de noviembre de 1978 en Washington, Distrito de Columbia, EE. UU.

Heigl comenzó a estudiar actuación e hizo su debut en el cine con That Night (1992). Interpretó a Christina Sebastian en el drama de la era de la Depresión Norteamericana de Steven Soderberg, King of the Hill, antes de ser elegida para su primer papel protagónico en la comedia de 1994, Mi padre es un héroe.

Durante este tiempo, Heigl continuó asistiendo a New Canaan High School, equilibrando su película y el trabajo como modelo con sus estudios académicos. Heigl se retiró de New Canaan High School después de su segundo año para seguir su carrera en Hollywood.

En 1995, protagonizó el thriller de acción Steven Seagal Alerta máxima 2, donde retrató a un joven de 16 años que viajaba en tren a través de las montañas con su tío Casey Ryback (Seagal), un experto en antiterrorismo de SEAL, para visitar la tumba de su difunto padre.

Después de participar en cintas menores y de televisión como Príncipe Valiente (1997) y Chucky 4 (1998), llegó uno de sus papeles más importantes, Isabel Evans en la serie Rosswell (1999-2002).

Unos años más tarde llegó el papel que la lanzó a la fama internacional: Izzie Stevens, una doctora perteneciente al elenco de la exitosa serie, Anatomía Según Grey (2005-2010). Durante su estadía en el proyecto, Heigl ganó un Emmy y un Premio del Sindicato de Actores como Mejor Actriz de Reparto en una serie de drama. Posteriormente, realizó dos de sus comedias más famosas, Ligeramente embarazada (2007), La cruda verdad (2009) y Jackie & Ryan (2014).

Actuó junto a Rosario Dawson y Geoff Stults en el thriller erótico Mío o de nadie (2017), interpretando a una divorciada que comienza a atormentar a la nueva prometida de su ex marido. En 2018, Heigl se unió al elenco de la serie dramática Suits, donde interpretó el papel de Samantha Wheeler, un nuevo socio en el bufete de Specter Litt.

Desde diciembre del 2007 está casada con Josh Kelley, con quien tiene tres hijos.