Bigelow s-a născut în San Carlos, California în 1951. Și-a făcut primele studii în domeniul picturii și a fost recunoscută pentru talentul ei. Astfel, ea primește o bursă și ajunge să studieze mai departe la New York. Își îndreaptă apoi atenția asupra filmului și alege să urmeze cursurile universității Columbia.
Își face debutul regizorial în 1978, cu scurtmetrajul The Set-Up . Primul ei film de lungmetraj, căruia i-a scris și scenariul, este Loveless (1982), pe care l-a regizat împreună cu Monty Montgomery. În 1987 scrie un scenariu alături de Eric Red și regizează horror-ul Near Dark, iar în același an, ea face un videoclip pentru formația New Order. În 1990, apelând la același parteneriat cu Eric Red, regizează thriller-ul Blue Steel.
În 1989, se căsătorește cu James Cameron, de care divorțează după doi ani. Ei păstrează totuși o relație amicală după acest divorț.
Următorul ei film este Point Break (1991), care îi are în distribuție pe Keanu Reeves și Patrick Swayze. Filmul ei din 1995, Strange Days, este scris și produs de către fostul ei soț, James Cameron. Se ocupă și de seriale de televiziune, regizând episoade ale serialelor Wild Palms și Homicide: Life on The Streets. Urmează în 2000 filmul The Weight of Water și în 2002 K-19: The Widowmaker, cu Harrison Ford și Liam Neeson.
Atinge apogeul în carieră cu filmul ei din 2009 care se bucură de un success uimitor. Este vorba de drama de război The Hurt Locker, apărut prima data în cadrul festivalului de film de la Veneția din septembrie 2008 și având premiera în SUA în iunie 2009. Filmul cu Jeremy Renner în rolul principal primește numeroase distincții de-a lungul anului și intră în competiție la Oscar 2010, unde este desemnat Cel mai bun film. Deși pierde la Globurile de Aur în fața lui James Cameron, Kathryn Bigelow câștigă printre altele premiul Asociației Regizorilor Americani, un trofeu BAFTA și devine prima femeie care ia Oscarul pentru cel mai bun regizor.
