Fille de la comédienne Sabine Thalbach et du metteur en scène Benno Besson, Katharina Thalbach naît en 1954 à Berlin-Est. Dès l'âge de quatre ans, elle joue au théâtre et à la télévision.

Lorsque sa mère décède en 1966, Helene Weigel s'occupe de sa formation. Révélée à 15 ans, elle est célèbre pour son interprétation de Polly dans L'Opéra de quat'sous mis en scène par Erich Engel à la Volksbühne de Berlin, où elle multiplie ensuite les engagements, ainsi qu’au Berliner Ensemble. Elle tient son premier grand rôle au cinéma en 1961 dans Es ist eine alte Geschichte (1961). En 1971, ses talents de comédienne sont récompensés par le prix de la critique en RDA. En 1976, elle déménage à Berlin-Ouest où elle débute au Schiller Theater, et joue sous les directions de Hans Lietzau (La Peau de castor) et Jürgen Flimm (La Petite Catherine de Heilbronn). En 1984, elle est l’Ophélie de Hamlet à Zurich, aux côtés de Christoph Waltz et joue le double rôle de Viola et de Sébastien dans La Nuit des rois.

Katharina Thalbach signe sa première mise en scène en 1987 avec Macbeth au Schiller Theater, puis en tournée en Europe et jusqu’en Israël. Elle crée Macbeth en français au Théâtre de Chaillot à Paris, où Jérôme Savary la met en scène dans le rôle-titre de Mère Courage. Elle met en scène de nombreuses pièces, que ce soit au Berliner Ensemble (Dans la jungle des villes de Brecht, La Nuit des rois de Shakespeare, Amphitryon de Kleist, Plaute et Molière), au Thalia Theater de Hambourg (Homme pour homme et L'Opéra de quat'sous de Brecht, Jouer avec le feu de Strindberg), au Maxim Gorki Theater (Dom Juan de Molière, Le Capitaine de Köpenick de Zuckmayer, Dommage qu’elle soit une putain de John Ford, La Mouette de Tchekhov, Roméo et Juliette de Shakespeare) au Schiller Theater (Minna de Barnhelm de Lessing, Comme il vous plaira de Shakespeare), ou au Schauspielhaus Bochum (Cyrano de Bergerac de Rostand).

En 1997, elle met en scène son premier opéra, Don Giovanni, à Berlin. Suivront La Petite Renarde rusée au Deutsche Oper Berlin, et des productions à Zurich, Dresde, Bâle, Berlin, au Grand Théâtre de Genève et à Cologne et, récemment, Lucia di Lammermoor à Leipzig.

Parallèlement, elle tourne de nombreux films pour le cinéma, dont Le Tambour (1979), Bleu saphir (2014), Die Vermessung der Welt (2012), The Moon and Other Lovers (2009), Du bist nicht allein (2007), Sonnenallee (1999), Kaspar Hauser (1993), Le Choix de Sophie (1982).

Depuis les années 1980, Katharina Thalbach joue dans de nombreux téléfilms, dont Friedrich – Un roi allemand, qui connaît un immense succès en 2012. Elle a reçu de nombreux prix, parmi lesquels le Bayerischer Filmpreis, le Deutscher Filmpreis, le prix Adolf-Grimme et deux Croix du Mérite allemand, le Goldener Spatz de la comédienne en 2012, le prix spécial du livre audio pour l’ensemble de ses lectures en 2014 et le prix Jacob Grimm pour la langue allemande en 2016. Elle est depuis 1995 membre de l’Académie libre des Beaux-Arts de Hambourg et de Berlin.