Brigitte Catillon débute au théâtre en 1972 dans la troupe de Daniel Benoin. Elle a, depuis, joué notamment sous la direction de Denis Llorca (Kings et Roméo et Juliette de Shakespeare), Alain Françon (Un ou deux sourires par jour de Antoine Gallien, La Double inconstance de Marivaux), Jean-Paul Roussillon (Mademoiselle Julie de Strindberg), Pierre Pradinas (La Mouette de Anton Tchekhov, Le Misanthrope de Molière, Néron de Gabor Rassov), Hans Peter Cloos (Roméo et Juliette de Shakespeare, Lulu de Wedekind), André Wilms (Pulsion de Franz Xavier Kroetz), Roger Planchon (Andromaque de Racine, La Provinciale de Marivaux, S’agite et se pavane de Ingmar Bergman) et Xavier Durringer dans ses propres textes (Surfeurs et La promise). Plus récemment, on l’a vu dans Eva de Nicolas Bedos, mis en scène de Daniel Colas.

Brigitte Catillon a également tourné dans de nombreux longs-métrages, dont Molière réalisé par Ariane Mouchkine, La Lectrice réalisé par Michel Deville, Dingo chien du désert réalisé par Rolf de Heer, Un Coeur en hiver réalisé par Claude Sautet, A mort la mort ! réalisé par Romain Goupil, Disparus, qu'elle a co-scénarisé, réalisé par Gilles Bourdos, Le Goût des autres réalisé par Agnès Jaoui, Merci pour le chocolat réalisé par Claude Chabrol, Une femme de ménage réalisé par Claude Berri, La Spectatrice réalisé par Paolo Franchi, Les soeurs fâchées réalisé par Alexandra Leclère, Ne le dis à personne réalisé par Guillaume Canet, La Vérité ou presque réalisé par Sam Karmann.

En 2009, Brigitte Catillon était à l’affiche de trois films : Pieds nus sur les limaces de Fabienne Berthaud, Tête de turc de Pascal Elbé et Divorces de Valérie Guignabodet.

En 2010, elle joue au Théâtre dans Nono de Sacha Guitry, mise en scène de Michel Fau. Elle est nominée pour le Molière 2011 de la meilleure comédienne dans un second rôle avec cette pièce.