Catherine Zeta-Jones lahir pada 25 September 1969 di Swansea, Wales, dan dibesarkan di Mumbles. Ia adalah anak tunggal dari Patricia dan David James "Dai" Jones, yang pernah memiliki pabrik permen. Ayahnya berdarah Welsh, sedangkan ibunya berketurunan Inggris, Irlandia, dan Welsh. Ia memiliki dua saudara, David dan Lyndon.

Sejak kecil, Catherine menunjukkan minat dalam dunia hiburan. Ia tampil di panggung dalam berbagai musikal seperti Annie, Bugsy Malone, dan The Pajama Game. Pada usia 15 tahun, ia memulai debut utama di 42nd Street di Inggris, dan keberhasilannya di panggung membawanya ke televisi dan film.

Pada awal 1990-an, ia terkenal lewat seri televisi The Darling Buds of May, yang membuatnya populer di Inggris. Ia kemudian berperan dalam film seperti Christopher Columbus: The Discovery dan The Phantom. Breakthrough besar terjadi saat memerankan Elena di The Mask of Zorro (1998).

Kariernya melambung lewat film blockbuster seperti Entrapment, The Haunting, dan Traffic. Ia memenangkan Academy Award sebagai Best Supporting Actress dalam Chicago (2002). Setelah itu, ia berkolaborasi dengan aktor seperti George Clooney dan mengulang peran di sekuel The Legend of Zorro.

Pada November 2000, Catherine menikah dengan aktor terkenal Michael Douglas. Mereka dikaruniai dua anak, Dylan dan Carys. Ia dianugerahi gelar Commander of the Order of the British Empire pada 2010 atas jasa-jasanya di dunia drama.