Katherine Moennig se narodila roku 1977 ve Philadelphii do rodiny broadwayské tanečnice Mary Zahn a houslaře Williama Moenniga. Z matčiny strany má německé, skotské a irské předky. Je také sestřenicí herečky Gwyneth Paltrow.
Svou první velkou roli získala v seriálu YOUNG AMERICANS, kde ztvárnila postavu Jacqueline Pratt, dívky, která se vydává za chlapce, aby se dostala na chlapeckou školu. I nadále pak ztvárňovala především homosexuální, transsexuální či podobně vyhraněné charaktery - zúčastnila se například konkurzu na roli Brendona Teena ve filmu BOYS DON'T CRY, kterou nakonec získala Hillary Swank.
Její zatím největší herecký úspěch, kvůli kterému se dostala do podvědomí široké veřejnosti, je pak role lesbické kadeřnice Shane McCutcheon v seriálu THE L WORD, zabývajícím se právě tématikou homosexuálních, bisexuální a transsexuálních žen a jejich vztahů.