Катерина родилась 5 сентября 1989 года в Швейцарии в семье русской еврейки Натальи и выходца из Либерии – Джозефа Грэхема.

С раннего детства Катерина Грэхем проявляла себя как творческая и жизнелюбивая девочка. Ее увлекали танцы и пение, актерское мастерство и другие виды искусств. Будучи ребенком и подростком она успела сняться в большом количестве рекламных роликов.

Переезд из Швейцарии в Америку стал отправной точкой в ее карьере. Она поставила цель – покорить вершины шоу-бизнеса в любых его проявлениях, и успешно к ней идет.

Первый опыт работы на телевидении Катерины Грэхем произошел в ТВ-шоу. Это были такие детские и подростковые шоу, как «Лиззи Магуайр», "Новая Жанна Д'Арк", «Прикован на всю жизнь». Одной из первых серьезных работ на телевидение Катерина считает роль в сериале «Киносерферы» (2002) на диснеевском канале. Параллельно она не оставляла свою танцевальную карьеру. В 15 лет она принимала участие на церемонии "BET Awards" в числе подтанцовки Bow Wow.

Катерина Грэхем очень разносторонний человек, поэтому карьеру актрисы и танцовщицы она решила дополнить музыкальной карьерой. Она пишет песни, снимается в клипах, живо интересуется тонкостями музыкальной записи. Она общается и сотрудничает со многими известными музыкантами, и, отчасти, это заслуга ее отца – музыкального исполнительного директора. При этом она не перестает сниматься.

Так в 2009 году Катерина Грэхем снималась в картине «Папе снова 17» вместе с такими актерами, как Мэтью Пери и Зак Эфрон.

2009 год стал для Катерины удачным, ведь она прошла пробы на роль Бонни в молодежном мистическом сериале «Дневники вампира», который транслируется на канале CW.

Ее работа в сериалах не ограничивается Дневниками. Актриса еще играла в таких сериалах, как «Ханна Монтана», "Место преступления" («CSI»), принимала участие в шоу «Однажды в Калифорнии» и некоторых других.

Катерина Грэхем неплохо разговаривает на нескольких языках, и кроме английского знает испанский, французский, португальский и иврит. Обожает готовить и находит время заниматься благотворительностью.

Несмотря на свою занятость в съемках сериала Дневники вампира, и других проектах, Грэхем находит время для танцевальной карьеры, а в 2009 году смогла выпустить свой сольный сингл, который имеет название «Boyfriend's Back».