Jeune, elle fit partie avec ses frères et sœurs, d'une troupe de gospel qui se produisait dans tous les États-Unis. Abonnée aux petits rôles dans des séries télévisées depuis le début des années 1990, Kathryn Morris est apparue dans un épisode de la série Poltergeist, les aventuriers du surnaturel, dans Providence, mais aussi dans plusieurs épisodes de la série Xena, dans laquelle elle interprétait le rôle de Najara. Elle décroche en 1997 un rôle récurrent dans Pensacola. On l'aperçoit aussi dans de nombreux téléfilms américains dont la plupart sont inédits en France. Désireuse de tenter sa chance au cinéma, Kathryn décroche de petits rôles dans des films qui ne la font pas réellement remarquer. En 2001, on l'aperçoit dans A.I. Intelligence artificielle de Steven Spielberg, et, hasard ou coïncidence, dans Minority Report du même réalisateur l'année suivante. Son rôle, cette fois plus étoffé (elle y interprète la femme de Tom Cruise) lui permet de faire ses preuves, mais cela ne semble pas suffisant pour faire décoller véritablement sa carrière.

En 2003, elle joue dans Paycheck, qui est encore une fois une adaptation d'un livre de Philip K. Dick. Le dernier film en date auquel elle a participé est Mindhunters, aussi connu sous le nom de Profession profiler, dans lequel elle tient le rôle féminin principal de Sara Moore. Depuis 2003, Kathryn Morris triomphe à la télévision dans la série Cold Case, qui remporte un vif succès aux É.-U. et en Europe, et dont la cinquième saison est en cours de production par la chaine américaine CBS. Elle y interprête le rôle de Lilly Rush, inspecteur à la police criminelle de Philadelphie, et qui est chargée de rouvrir des dossiers qui n'ont jamais été élucidés.