Bruno Cathomas wurde am 11. Oktober 1965 in Laax, Schweiz, geboren. Er absolvierte zunächst eine Schlosserlehre und engagierte sich parallel dazu in einer Laienspielgruppe. Von deren Leiter animiert, studierte Cathomas an der Schauspielakademie Zürich. 1992 bekam er ein Engagement an der Berliner Volksbühne, wo er unter anderem in Inszenierungen von Christoph Marthaler, Frank Castorf und Leander Haußmann mitwirkte. Parallel dazu hatte er kleinere Kino- und Fernsehrollen.

1999 wechselte Cathomas ans Theater Basel. Im gleichen Jahr sah man ihn in seiner ersten Kinohauptrolle, in Didi Danquarts "Viehjud Levi": Für seine Verkörperung eines jüdischen Dorfbewohners, der während der beginnenden Nazizeit zunehmend diskriminiert wird, erhielt er eine Nominierung für den Deutschen Filmpreis. In den Jahren danach hatte er Nebenrollen unter anderem in Detlev Bucks "LiebesLuder" (2000), Edward Bergers "Frau2 sucht HappyEnd" (2000) und, als Verleger Fritz Landshoff, in "Die Manns – Ein Jahrhundertroman" (2001).

Ab 2002 spielte Cathomas vor allem an der Berliner Schaubühne; als Regisseur inszenierte er am Berliner Maxim-Gorki-Theater Fausto Paravidinos "Peanuts" (2003), das fünfteilige Projekt "Bibel Factory" (2004) und "Oscar Wilde - Ein Rausch" (2005). Zur Spielzeit 2004/2005 wurde er ins Ensemble der Schaubühne berufen, wo er unter anderem in Inszenierungen von "Tod eines Handlungsreisenden" (2006), "Gespenster" (2007) und "Der Kirschgarten" (2008) auf der Bühne stand.

Neben seiner Theaterarbeit spielte Cathomas auch weiterhin in zahlreichen Kino- und Fernsehproduktionen mit. So etwa in Didi Danquarts "Offset" (2006) und Brigitte Berteles "Nacht vor Augen" (2008). Für seine Hauptrolle in Armin Biehlers "Chicken Mexicaine" (CH/MX 2007), als verurteilter Gewohnheitsverbrecher, der mit einem ungewöhnlichen Trick aus dem Gefängnis kommen will, bekam er den Schweizer Filmpreis.

2009 verließ Cathomas die Schaubühne und wurde Ensemblemitglied des Hamburger Thalia Theaters; 2013 wechselte er ans Schauspiel Köln. Dennoch war (und ist) er am Thalia Theater weiterhin in Gastrollen zu sehen. Kinorollen hatte er unter anderem als Schriftsteller in "Ich und Kaminski" (2015), als Kommissar in Didi Danquarts Thriller "Goster" (2016) und als depressiver Hoteldirektor in Kerstin Poltes "Wer hat eigentlich die Liebe erfunden?" (DE/CH 2018). An der Seite seiner Kollegen vom Thalia Theater spielte Cathomas eine Hauptrolle in dem Kinofilm "Am Ende ist man tot", bei dem der Thalia-Schauspieler Daniel Lommatzsch Regie führte. Die Dreharbeiten fanden ab 2012 als eine Art Teamprojekt vorwiegend an Wochenenden statt; seine Uraufführung hatte der Film im Mai 2016 im Thalia Theater. Im Sommer 2018 erfolgte ein regulärer Kinostart.

2017 gab er in "Fürchte dich" seinen Einstand als Fosco Cariddi, Leiter der Mordkommission im Frankfurter "Tatort", in dem er in wiederkehrender Rolle an der Seite von Margarita Broich und Wolfram Koch zu sehen ist.

Im Februar 2021 gehörte Bruno Cathomas zu den 185 lesbischen, schwulen, bisexuellen, queeren, nicht-binären und trans* Unterzeichner*innen des Manifests #actout und war damit Teil des Massen-Coming-Outs auf der Titelseite des Magazins der Süddeutschen Zeitung. Angestoßen von Karin Hanczewski, Godehard Giese und Eva Meckbach, positionierte sich die Initiative gegen Diskriminierung und forderte mehr Sichtbarkeit und Diversität in der Theater-, Film und Fernsehbranche.