Après avoir obtenu un diplôme d'architecture, Catherine Jacob s'installe à Paris et s'inscrit au cours Florent. A sa sortie en 1985, elle écrit un one woman show, Bienvenue au club, traçant onze portraits de personnages trop sûrs d'eux. Elle fait sa première apparition à l'écran dans Un amour de Swan (1983) de Volker Schlöndorff.
Catherine Jacob est révélée par son rôle de bonne dans La vie est un long fleuve tranquille (Etienne Chatiliez, 1987) : elle remporte le César du meilleur espoir féminin pour son interprétation de Marie-Thérèse, l'employée des Le Quesnoy, enceinte alors qu'elle est persuadée d'être toujours vierge. En 1989, Etienne Chatiliez lui confie le rôle de la nièce de Tatie Danielle où elle excelle dans ce personnage de coiffeuse arriviste, à la fois gentille et ridicule.
En 1990, elle rencontre Gérard Depardieu sur le tournage de Merci la vie (Bertrand Blier), qui lui propose de jouer dans Mon père, ce héros (Gérard Lauzier, 1991). Si Catherine Jacob s'applique à interpréter des personnages aussi différents que possible, elle garde une prédilection pour les rôles comiques, plantant des femmes fantaisistes et énergiques. Elle est hilarante en Française moyenne, épouse de Daniel Russo dans Neuf mois (Patrick Braoudé, 1993). Elle sait aussi jouer les vraies garces, comme dans La soif de l'or (Gérard Oury, 1992) où elle rend la vie impossible à Christian Clavier. En diva déclinante du théâtre de boulevard, elle tient tête à Jean Rochefort, Jean-Pierre Marielle et Philippe Noiret dans Les grands ducs (Patrice Leconte, 1995). Plantureuse productrice de films X du Coeur à l'ouvrage (Laurent Dussaux, 1998), mère possessive dans Dieu et grand, je suis toute petite (Pascale Bailly, 1998), maîtresse jalouse dans J'ai faim !!! (Florence Quentin 2000), Catherine Jacob joue avec un humour grinçant et un langage de charretier qui détonnent avec son allure sophistiquée.
Les années 2000 lui offrent toujours des rôles comiques ; en 2005 elle est l'inénarrable Duchesse Marie-Claude Saumur Chantilly dans Les Aristos (Charlotte de Turckheim). Mais on peut également voir l'actrice en infirmière dans le thriller français Qui a tué Bambi ? (Gilles Marchand, 2002), en femme d'un directeur d'une maison de correction des années 30 dans le drame Les Hauts murs (Christian Faure, 2006).
En 2009, elle interprète, aux côtés de Jane Birkin et Caroline Cellier, une femme tour à tour fragile et émouvante, battante et drôle dans Thelma, Louise et Chantal (Benoît Pétré).
Catherine Jacob assoit également sa popularité en jouant dans de nombreux téléfilms. En 1994, son rôle dans Sur un air de mambo de Jean-Louis Boticelli lui vaut un prix d'interprétation au Festival de Shanghai. Qui mange qui ? (1997) de Dominique Tabuteau, où on la retrouve en inspectrice de l'hygiène à la Répression des fraudes, est un succès public.
Au théâtre, elle interprète notamment Frosine dans L'avare, mis en scène par Jérôme Savary au théâtre Chaillot en 1993.
1991 | Conte à rebours | Gilles Porte |
1993 | Fleur des morts (La) | Françoise Pasquini |
1995 | Un bel après-midi d'été | Artus de Penguern |
1996 | Ultima hora | Laurence Maynard |
2004 | Méthode Bourchnikov (La) | Grégoire Sivan |
1983 | Un amour de Swann | Volker Schlöndorff |
1984 | Nanas (Les) | Annick Lanoë |
1986 | État de grâce (L') | Jacques Rouffio |
1987 | Maladie d'amour | Jacques Deray |
1987 | Vie est un long fleuve tranquille (La) | Etienne Chatiliez |
1988 | Maris, les femmes, les amants (Les) | Pascal Thomas |
1989 | Tatie Danielle | Etienne Chatiliez |
1990 | Merci la vie | Bertrand Blier |
1991 | Mon père, ce héros | Gérard Lauzier |
1992 | Fille de l'air (La) | Maroun Bagdadi |
1992 | Soif de l'or (La) | Gérard Oury |
1993 | Braqueuses (Les) | Jean-Paul Salomé |
1993 | Dieu que les femmes sont amoureuses | Magali Clément |
1993 | Neuf mois | Patrick Braoudé |
1995 | Bonheur est dans le pré (Le) | Etienne Chatiliez |
1995 | Grands ducs (Les) | Patrice Leconte |
1995 | Pourvu que ça dure | Michel Thibaud |
1996 | Ballade de Titus (La) | Vincent de Brus |
1996 | Messieurs les enfants | Pierre Boutron |
1996 | Oui | Alexandre Jardin |
1996 | Que la lumière soit ! | Arthur Joffé |
1996 | XXL | Ariel Zeïtoun |
1998 | Coeur à l'ouvrage (Le) | Laurent Dussaux |
1998 | Dieu est grand, je suis toute petite | Pascale Bailly |
2000 | J'ai faim !!! | Florence Quentin |
2002 | Qui a tué Bambi ? | Gilles Marchand |
2003 | Première fois que j'ai eu vingt ans (La) | Lorraine Lévy |
2004 | Quartier V.I.P. | Laurent Firode |
2005 | Aristos (Les) | Charlotte de Turckheim |
2005 | Dikkenek | Olivier Van Hoofstadt |
2006 | Hauts murs (Les) | Christian Faure |
2007 | Quarante-huit heures par jour | Catherine Castel |
2009 | Thelma, Louise et Chantal | Benoît Pétré |
2010 | Livide | Alexandre Bustillo, Julien Maury |
2013 | Ex de ma vie (L') | Dorothée Sebbagh |
2013 | Lili Rose | Bruno Ballouard |
2015 | Joséphine s'arrondit | Marilou Berry |
2015 | Un jour mon prince | Flavia Coste |
2016 | Chez nous | Lucas Belvaux |
2016 | Telle mère, telle fille | Noémie Saglio |
2017 | Goûts et les couleurs (Les) | Myriam Aziza |
2020 | Rumba la vie | Franck Dubosc |