Katja Bürkle wurde 1978 in Stuttgart geboren, wo sie von 1997 bis 2001 ein Studium an der Hochschule für Musik und Darstellende Kunst absolvierte. Noch während dieses Studiums erhielt sie im Jahr 2000 ein festes Engagement am Staatstheater Stuttgart; für ihr dortigen Leistungen wurde sie 2002 von der Fachzeitschrift Theater zur 'Nachwuchsschauspielerin des Jahres' gekürt. Nach diversen Engagements war Bürkle von 2008 bis 2017 festes Ensemblemitglied der Münchner Kammerspiele, wo sie in zahlreichen preisgekrönten Inszenierungen auf der Bühne stand, zum Beispiel 2009 in der Uraufführung von Elfriede Jelineks "Rechnitz (Der Würgeengel)".  

Ihre ersten Fernsehrollen spielte Katja Bürkle in mehreren Folgen der Krimireihe "Tatort". So hatte sie beispielsweise in der Stuttgarter Folge "In eigener Sache" (2008) eine Schlüsselrolle als Drogendealerin und in der Münchner Folge "Jagdzeit" (2011) eine Hauptrolle als depressive, alkoholkranke Mutter einer jugendlichen Mordzeugin. Unter der Regie von Till Endemann gehörte sie zum Hauptensemble des Justizdramas "Unter Anklage: Der Fall Harry Wörz" (2014).

Neben der Theaterarbeit wirkte Bürkle auch in den nächsten Jahren in einigen TV-Produktionen mit, meist in Episoden populärer Krimireihen wie "Polizeiruf 110", "Mord in bester Gesellschaft", "Kommissarin Lucas" und "Unter Verdacht" mit Senta Berger. Ihr Kinodebüt gab sie 2017 in der preisgekrönten Komödie "Einsamkeit und Sex und Mitleid", als selbstbewusste Künstlerin, deren Schaffen als Bindeglied verschiedener Handlungsstränge fungiert.

Nachdem sie 2017 für eine Spielzeit am Residenztheater München engagiert war, begann Katja Bürkle als freie Schauspielerin zu arbeiten, mit Engagements am Deutschen Theater Berlin, dem Wiener Burgtheater und den Salzburger Festspielen. 2018 wurde sie beim Internationalen Theaterfestival in Teheran für ihre Darstellung in "Hamlet" als Beste Schauspielerin ausgezeichnet. Für ihre Verkörperung des Franz Moor in Ulrich Rasches "Die Räuber"-Inszenierung (2018) erhielt sie eine Nominierung für den FAUST-Preis.

Parallel übernahm Bürkle weiterhin Rollen in Film- und Fernsehproduktionen. 2018 hatte sie einen kurzen Auftritt als Ärztin in Doris Dörries Drama "Kirschblüten und Dämonen". Die "Polizeiruf 110"-Episode "Die Lücke die der Teufel lässt" (2019) zeigte sie in einer Hauptrolle als brutal erpresste Pizzabotin. 2020 sah man sie in der Stuttgarter Folge "Du allein" in der Hauptrolle einer mörderischen Rächerin. Im gleichen Jahr wurde Raymond Leys Dokudrama "Schuss in der Nacht - Die Ermordung Walter Lübckes" ausgestrahlt, in dem sie als Chefermittlerin auftrat.

Im Kino sah man Katja Bürkle 2021 als Pathologin in der Komödie "Weißbier im Blut", zudem gehörte sie zum Ensemble von Alain Gsponers "Wolke unterm Dach", der 2022 veröffentlicht wurde. Auf der Berlinale 2023 feierte das Drama "Im toten Winkel" Premiere, mit Bürkle in der Hauptrolle einer Dokumentarfilmerin, die im Nordosten der Türkei in den schwelenden Konflikt zwischen Türken und Kurden hineingezogen wird.

Neben ihrer Arbeit als Schauspielerin unterrichtet Katja Bürkle an der Otto-Falckenberg-Schule München.