Актриса родилась в городе Толедо, штат Огайо. Холмс участвовала в театральных постановках колледжа, в котором училась, и она никогда думала, что станет звездой, живя на окраине Среднего Запада. Удача улыбнулась, когда Кэти приехала на конкурс моделей в Нью Йорк. Там она встретила агента, который предложил ей приехать в Лос-Анжелес, чтобы сняться в «пилотном» сезоне телевизионного шоу. Кэти заканчивала учебу, когда пришло время съемок второго сезона, но Холмс решила поехать выступать в театральной постановке колледжа «Чертовы янки», где она играла Лолу. Кэтти пыталась пройти прослушивание для фильма «Бухты Доусона», она даже послала свою видеозапись, и так случилось, что ей позвонили во время премьеры школьного спектакля, и Кэти не смогла подвести одноклассников и оставить их в этот момент. Но продюсеры вошли в положение Холмс и перенесли её прослушивание, так она получила постоянную роль Джои Поттер.

Кэти – самая младшая из пяти детей в семье, и она начала сниматься лишь два года назад. Будучи еще подростком, она получила роль в картине Энга Лии «Ледяной ветер». Ей пришлось отказаться от поступления в Оксфордский университет, так как в то время она была занята на съемочной площадке триллера «Непристойное поведение».