Katharina Lorenz, geboren am 19. Dezember 1978 in Leverkusen, bekam bereits als Kind Ballet- und Tanzunterricht und sammelte erste Schauspielerfahrungen am Jungen Theater Leverkusen. Nach dem Schulabschluss absolvierte sie von 1999 bis 2002 ein Schauspielstudium an der Münchner Otto-Falckenberg-Schule. Anschließend stand sie in zahlreichen Inszenierungen klassischer und moderner Stücke an den Münchner Kammerspielen, dem Deutschen Theater Berlin, dem Düsseldorfer Schauspielhaus und dem Schauspiel Hannover auf der Bühne, dessen Ensemble sie bis 2008 angehörte.

Im Jahr 2006 wurde Lorenz von der Fachzeitschrift "Theater heute" zur "Besten Nachwuchsschauspielerin" gewählt, 2008 erhielt sie den Förderpreis der Akademie der Künste im Bereich Darstellende Kunst. Seit der Spielzeit 2008/2009 hat sie ein Engagement am Wiener Burgtheater, wo sie bislang unter anderem in Matthias Hartmanns Inszenierungen von Goethes "Faust" (als Gretchen) und Shakespeares "Was ihr wollt" (als Viola) auf der Bühne stand.

Ihr Debüt als Filmschauspielerin gab Katharina Lorenz 2004 mit einer kleinen Rolle in dem Drama "Kammerflimmern". Es folgten Nebenrollen in Lars Kraumes "Keine Lieder über Liebe" (2005) und dem hoch gelobten Drama "Für den unbekannten Hund" von Dominik und Benjamin Reding (2007) sowie eine Hauptrolle in Martin Repkas slowakisch-deutscher Koproduktion "Rückkehr der Störche" (2007). Prägnante Rollen spielte sie außerdem in dem TV-Drama "Du gehörst mir" (2007) an der Seite von Tobias Moretti und der Liebeskomödie "Was glücklich macht" (2009, TV) mit Peter Sattmann und Jutta Speidel in den Hauptrollen. Daneben stand sie für Krimiserien wie "Stolberg" und "Tatort" vor der Kamera.

In Rudolf Thomes Beziehungsgeschichte "Das rote Zimmer", die im Oktober 2010 bei der Viennale in Wien Premiere feierte (deutscher Kinostart: Januar 2011), war Lorenz an der Seite von Peter Knaack und Seyneb Saleh erneut in einer Kinohauptrolle zu sehen.