Phoebe est la fille du réalisateur Joseph Cates et de sa femme philippine. Elle doit à ses ancêtres cosmopolites (elle est de descendance chinoise et russe) son visage si exotique. Née à New York où elle étudie à la "Children's Professional Acting School", une école pour les enfants acteurs, elle est également la nièce du réalisateur Gilbert Cates et la filleule de l'actrice Joan Crawford. Elle a deux sœurs, Valerie (plus âgée) et Alexandra (plus jeune). Son nom de naissance est Phoebe Belle Katz. Elle suit les pas de son père et et son oncle, changeant de nom pour raisons professionnelles. Elle est d'abord mannequin pour des magazines, et joue également dans quelques publicités. A 19 ans elle tourne son premier film ou téléfilm, peu connu aujourd'hui: "Une si gentille petite soeur". Elle y joue une jeune femme se rendant en séjour chez sa soeur, tombant sous le charme de son ami. (Pas de sources vérifiables, téléfilm vu sur M6 en 1994). Elle devient célèbre en 1982 pour son rôle dans Ça chauffe au lycée Ridgemont (Fast Times At Ridgemont High) dans lequel on la voit enlever le haut de son bikini dans une séquence au ralenti qui n'existe que dans l'imagination de Judge Reinhold (Brad Hamilton).

Cette même année, dans le film Paradise, et pour contraster avec la timidité de Brooke Shields dans le film Le Lagon bleu (1980), elle apparaît entièrement nue dans plusieurs scènes, utilisant toutefois une doublure pour certains plans rapprochés. Elle admit plus tard dans un entretien avec le magazine People qu'elle se sentait un peu mal à l'aise au sujet de ces scènes de nudité, et que son père lui avait conseillé de les jouer de la façon qu'elle jugeait la plus artistique possible. En 1984, elle joue un rôle important dans le film à grand succès de Joe Dante, Gremlins, et reprendra ce même rôle en 1990 pour la suite, Gremlins 2, la nouvelle génération. Ses rôles suivants sont modestes et plutôt destinées à un jeune public. Son visage fait la couverture de nombreux magazines pour adolescents. Elle se lance également dans le théâtre en 1984 et y rencontre un certain succès. En 1989, elle épouse l'acteur Kevin Kline qu'elle avait rencontré lors d'une audition pour le film Les Copains d'abord (1983), rôle qui fut finalement attribué à Meg Tilly. En 1991, elle doit tourner dans Le Père de la mariée avec Steve Martin et Diane Keaton, mais elle tombe enceinte et doit renoncer. Avec leurs deux premiers enfants Owen (1991) et Greta (1994), Phoebe et Kevin jouent le rôle de la famille Gold dans The Anniversary Party (2001), le dernier rôle en date de Phoebe. Leur troisième enfant, Autumn, est née le 1er décembre 2005. Aujourd'hui, elle dirige une boutique de cadeaux, The Blue Tree, située sur Madison Avenue à New York.