Katherine Moennig préférait grimper aux arbres et faire du skateboard plutôt que de jouer à la poupée pendant son enfance qu'elle a passé à Philadelphie, PA. Fille d'une enseignante de danse à Broadway et d'un père créateur de violons, Moennig est montée sur scène très jeune. Elle est apparue à 10 ans dans une production de Winnie l'Ourson, à l'atelier Children's Theater, et a choisi de continuer dans ce domaine en écrivant et en dirigeant une version improvisée de Winnie avec un ami. Le duo a d'ailleurs joué leur production originale à la Bibliothèque de Philadelphie. Elle a continué à interpréter des rôles dans des productions au lycée avant de s'installer à new York et d'entrer à l'American Academy of Dramatics Arts. Dans les deux mois qui ont suivi son diplôme, elle a obtenu une bourse pour entrer au prestigieux Williamstown Theatre Festival et a ainsi pu tout apprendre sur ce qui se passe derrière le rideau.

Durant sa seconde année à Williamstown, elle est apparue dans la pièce "As You Like It" de Shakespeare. Elle a ensuite fait ses débuts à la télévision dans la série Young Americans, dans laquelle elle jouait le rôle de Jake Pratt, fille qui se faisait passer pour un garçon dans l'école Rawley. Katherine a par la suite décroché le rôle principal dans le vidéo clip "Is Anybody Home", du groupe canadien Our Lady Peace. Elle a aussi auditionné pour le film "Boys Don't Cry", en 1999. Pendant son temps libre, l'actrice aime passer du temps avec ses amis et se balader dans les rues de New York.