Katrin Milhahn wurde 1975 in München geboren. Sie absolvierte eine Ausbildung an der Berliner Journalistenschule und studierte von 2000 bis 2006 Dramaturgie und Drehbuch an der Filmuniversität Babelsberg 'Konrad Wolf' (heute: Filmuniversität Babelsberg). Dort lernte sie den Regisseur André Hörmann kennen, mit dem sie als Autorin im Lauf der Jahre wiederholt zusammenarbeitete. Der gemeinsame Trailer "Blumen für den Freund" (2002) lief 2006 beim Werbefilm-Festival in Cannes und war für einen First Steps Award und den VDW Award nominiert. Zusammen mit ihrem Kommilitonen Sören Senn schrieb sie das Drehbuch zu dessen preisgekröntem Abschlussfilm, der Dreiecksgeschichte "KussKuss" (2003-2005); Milhahn erhielt für das Drehbuch den Preis des Präsidenten der HFF. Auch Manuela Stackes abendfüllender, von Milhahn geschriebenes Abschlussfilm "Mondscheinkinder" (2006), über das besondere Geschwisterverhältnis eines sechsjährigen zu seiner 12-jährigen Schwester, wurde auf internationalen Festivals preisgekrönt; für Milhahn gab es beim Skip City International D-Cinema Festival in Japan den Drehbuchpreis und beim Festival Goldener Spatz in Erfurt den Drehbuchpreis sowie den Preis der Kinderjury (zusammen mit Stacke).

Nach ihrem HFF-Abschluss 2006 begann Katrin Milhahn als freie Drehbuchautorin für Kino und Fernsehen zu arbeiten. Unter anderem wirkte sie am Drehbuch zu Nicole Weegmanns Familiendrama "Solange du schliefst" (2009, TV) mit. Im Jahr 2010 war sie zusammen mit André Hörmann Stipendiatin der Villa Aurora in Los Angeles; dort arbeiteten die beiden an einem Projekt über Drehbuchautoren in Hollywood, das jedoch nicht realisiert wurde.

Außerdem schrieb Milhahn die Komödien "Polnische Ostern" (2011), "Liebeskuss am Bosporus" (2011, TV) und "Schlaflos in Istanbul" (2012, TV). Weiterhin gehörte sie zum Autorinnentrio von Ann-Kristin Reyels' Beziehungsgeschichte "Formentera" (2012) und war Co-Autorin des Kinderfilms "Ente gut! Mädchen allein zu Haus", für den sie zusammen mit Antonia Rothe-Liermann für den Deutschen Drehbuchpreis nominiert war. Mit Rothe-Liermann schrieb sie auch "Hanni & Nanni: Mehr als beste Freunde" (2017) und das Coming-of-Age-Drama "Wir haben nur gespielt" (2018, TV, Regie: Ann-Kristin Reyels); außerdem gehörten die beiden zum fünfköpfigen Autor*innenteam des Kinderfilms "Liliane Susewind – Ein tierisches Abenteuer" (DE/FR/BE 2018).

Zusammen mit André Hörmann schrieb und inszenierte Katrin Milhahn den Kinofilm "Nachtwald" (2021), der ihr Regiedebüt war. Die Abenteuergeschichte handelt von zwei Jungen, die sich in der Schwäbischen Alb auf die Suche nach einer geheimnisvollen Höhle und dem verschwundenen Vater des einen Jungen begeben. "Nachtwald" wurde beim Cinekid Film Festival (Amsterdam) als Bester Jugendfilm ausgezeichnet, erhielt beim Schlingel Kinderfilmfestival (Chemnitz) den Preis der Europäischen Kinderfilmvereinigung ECFA und beim Giffoni Film Festival (Italien) den Preis als Bester Film sowie den Clear Channel Award für Kreativität und Innovation. Der Kinostart erfolgte im November 2022.