Catalina Sandino Moreno s-a nascut pe data de 19 aprilie 1981 in orasul Bogota, Colombia. Fiica unui medic patolog si a unui crescator de vite, Catalina a avut o copilarie linistita, visand mereu sa ajunga o mare actrita, in aceasta directie urmand si cursurile Academiei de Teatru din Bogota.
Acest vis a inceput sa prinda contur in anul 2004, in momentul in care Catalina Sandino Moreno a fost aleasa pentru rolul principal in productia Maria Full of Grace, film care a primit foarte multe laude la festivalul de film Sundance din acelasi an. Dupa succesul obtinut din rolul acestui film, Catalina a mai aparut si in alte productii cum ar fi Fast Food Nation in 2006, alaturi de Greg Kinnear, Avril Lavigne sau Bruce Willis, The Hottest State, la fel in 2006, alaturi de Laura Linney si Michelle Williams, precum si in filmul antologic Paris, je t’aime, impreuna cu Natalie Portman, Maggie Gyllenhaal si Elijah Wood.
Catalina Sandino Moreno a învățat la Saint George's School în Bogotá, Colombia. Înainte de a deveni actriță, a studiat publicitatea la Pontificia Universidad Javeriana din Bogotá. A fost remarcată pentru talentul ei la Școala de actorie din Bogotá, a fost trimisă la o audiție în care a învins peste 900 de fete pentru rolul principal. Ea a părăsit facultatea pentru a începe primul ei proiect de film. Astfel, Moreno a primit rolul María Alvarez, o fată columbiană care lucrează într-o plantație de flori și de droguri când era însărcinată. Această performanță a făcut-o prima actriță columbiană, a doua sud-americană și a treia actriță hispanică nominalizată la Premiul Oscar, la categoria Cea mai bună actriță pentru rolul ei din Maria Full of Grace (2004). Pentru același rol, a câștigat Ursul de Argint la Festivalul Internațional de Film de la Berlin; a primit o nominalizare la Screen Actors Guild Award. În 2005, s-a mutat la New York pentru a studia arte dramatice și pentru a-și continua cariera și a fost invitată să se alăture AMPAS. În 2006, a jucat în filmul independent Fast Food Nation, cu Patricia Arquette și în Paris, je t'aime, unde a jucat în rolul unei tinere mame imigrante în segmentul Loin du 16e. În 2007, a interpretat rolul Hildebranda Sánchez în filmul Dragoste în vremea holerei, cu Javier Bardem, Fernanda Montenegro. În 2008, alături de Benicio del Toro a jucat în Che de Steven Soderbergh, rolul Aleidei March de Guevara, a doua soție a lui Ernesto Che Guevara. În 2010, a avut rolul Vampire Maria în The Twilight Saga: Eclipse. A mai jucat în Castro's Daughter (2013), Roa (2013), A Most Violent Year (2014), Falling Skies (2014, rolul Isabella), American Gothic (2016, rolul Christina Morales), Custody (2016), From (2022, rolul Tabitha Matthews), Ballerina (2022). În plan personal, Sandino Moreno l-a întâlnit pe electricianul cinematografic David Elwell în timp ce lucra la Maria Full de Gratie. Ei s-au căsătorit pe 15 aprilie 2006 în cadrul unei mici ceremonii care a avut loc în Cartagena de Indias.
