Kat peut concrétiser son rêve : devenir actrice, en enchaînant les auditions et commence par apparaître dans des spots publicitaires, puis décroche ensuite un petit rôle dans un épisode de la série Sex and the City, avant de participer à d’autres productions destinées au petit écran à l’image d’Un père peut en cacher un autre, La Patrouille fantôme et The Snobs. Puis elle participe aux séries FBI : portés disparus, Less Than Perfect et Les Experts.

Ses débuts au cinéma, elle les fait en 2004 dans la comédie Raise Your Voice, réalisé par Sean McNamara, où elle incarne Sloane et joue aux côtés de Hilary Duff, suivi du drame Down in the Valley, où elle interprète April. En 2005, elle incarne la fille de Catherine Keener dans 40 ans, toujours puceau, puis participe à deux productions cinématographiques diverses : London et Big Mamma 2, tout en poursuivant sa carrière télévisuelle en jouant dans d’autres séries à succès à l’image d' Urgences, dans lequel elle a joué dans la saison 12 le rôle d'une jeune fille de 14 ans, Zoe Butler, suivi des Experts: Manhattan.

Après avoir joué dans Charlie Bartlett et Super blonde, elle obtient véritablement son premier rôle principal dans la comédie romantique Une nuit à New York, dans lequel elle incarne Norah, adolescente qui tombe amoureuse d’un jeune rocker amateur new-yorkais du nom de Nick (Michael Cera). La prestation de la jeune femme lui vaut d'obtenir une nomination au MTV Movie Awards dans la catégorie Meilleure performance féminine, suivi de deux nominations au Satellite Awards et au Teen Choice Awards, dans la catégorie Meilleure actrice dans un film musical ou de comédie.

En 2009, elle participe à trois films The Answer Man, Shorts et aussi Defendor, où elle incarne une jeune prostituée accroc à la drogue qui sympathise avec un retardé mental qui se prend pour un super-héros. En septembre 2011, elle devient l'une des héroïnes de la série télévisée 2 Broke Girls, une sitcom qui connait un grand succès dès sa première diffusion.