Katharine Juliet Ross lahir pada 29 Januari 1940 di Hollywood, California, dari pasangan Katherine (née Hall) dan Dudley Tying Ross. Ayahnya yang juga pernah menjadi wartawan dan seorang komandan Angkatan Laut AS, membawa keluarga berpindah-pindah ke berbagai negara bagian, termasuk Virginia dan Palo Alto, hingga akhirnya menetap di Walnut Creek, dekat San Francisco, tempat Ross tumbuh dan menamatkan sekolah.

Pendidikan awalnya di Las Lomas High School dan melanjutkan ke Santa Rosa Junior College serta Diablo Valley College, di mana ia mulai terlibat dalam film mahasiswa. Setelah pindah ke San Francisco, Ross mulai berkarier sebagai understudy di Actor's Workshop dan mulai mengikuti audisi untuk berbagai peran. Ia sempat menikah dengan Joel Fabiani pada 1960, yang menjadi pernikahan pertamanya dari lima.

Kariernya di dunia hiburan dimulai di televisi, terutama di genre western yang sesuai dengan kecantikan alaminya. Debut televisinya terjadi pada 1962 melalui serial Sam Benedict, dan film pertamanya adalah Shenandoah (1965). Pada tahun 1967, ia mulai menjadi pemeran utama, mendapatkan nominasi Oscar sebagai Pendukung Terbaik dalam film The Graduate.

Fase berikutnya menandai kebangkitan kariernya lewat film seperti Butch Cassidy and the Sundance Kid (1969) bersama Robert Redford, di mana ia memerankan Etta Place. Ia juga mendapatkan BAFTA untuk perannya sebagai Lola dalam Tell Them Willie Boy Is Here (1969). Popularitasnya mencapai puncak antara 1967 dan 1969, menjadi simbol kecantikan generasi Woodstock, namun sempat mengalami masa sulit dan peran yang kurang menonjol di tahun-tahun berikutnya.

Kemenangan di film The Stepford Wives (1975) menandai kebangkitan singkat, dengan peran sebagai istri modern yang berbakti namun aneh. Pada dekade berikutnya, ia lebih banyak tampil di film seperti The Betsy (1978) dan serial TV, termasuk The Colbys (1985). Di masa itu, ia menemukan cinta lagi dan menikah dengan Sam Elliott pada 1984. Mereka kemudian dikaruniai seorang putri, Cleo Rose, lahir pada September 1984.

Selain kariernya yang tetap aktif hingga sekarang, Ross dan Elliott pernah berkolaborasi dalam adaptasi novel Louis L'Amour, Conagher (1991). Ia tetap memilih peran-peran kecil tapi berkualitas, seperti di Donnie Darko (2001), menunjukkan bahwa kualitas aktingnya tetap terjaga meskipun usianya bertambah dan seringkali diabaikan karena kecantikan alaminya yang fenomenal.

Pasangan ini tinggal di sebuah ranch kecil di Malibu, menjalani kehidupan yang bahagia dan penuh karya hingga saat ini.