1978년 12월 18일, 0세 때, 케이티 홈즈는 미국 오하이오주 톨레도에서 마틴 조셉 홈즈 시니어와 캐슬린 A. 스토서스의 1남 4녀 중 막내로 태어났다.

1996년, 18세 때, 케이티 홈즈는 고등학교 졸업 후 뉴욕 국제 모델링 및 재능 협회에 참가했다가 매니지먼트의 눈에 띄어 본격적으로 연예계에 진출했다.

1997년, 19세 때, 케이티 홈즈는 영화 《아이스 스톰》에 출연하며 배우로 데뷔했다.

1998년, 19세 때, 케이티 홈즈는 WB 텔레비전 하이틴 드라마 《도슨의 청춘일기》에 출연하기 시작했다.

1998년, 20세 때, 케이티 홈즈는 스릴러 영화 《크레들베이》에 출연했다.

1999년, 20세 때, 케이티 홈즈는 영화 《크레들베이》를 통해 MTV 무비 어워드에서 최고의 여자 신인 연기상을 수상했다.

1999년, 21세 때, 케이티 홈즈는 영화 《고》와 《팅클부인 가르치기》에 출연했다.

2000년, 21세 때, 케이티 홈즈는 영화 《원더 보이즈》에 출연하여 비평가들로부터 긍정적인 평가를 받았다.

2000년, 22세 때, 케이티 홈즈는 영화 《더 기프트》에 출연했다.

2000년, 22세 때, 케이티 홈즈는 배우 크리스 클라인과 데이트를 시작했다.

2002년, 23세 때, 케이티 홈즈는 영화 《어벤던》에 출연했다.

2003년, 24세 때, 케이티 홈즈는 영화 《폰 부스》, 《노래하는 탐정》, 《에이프릴의 특별한 만찬》에 출연했다.

2003년, 25세 때, 케이티 홈즈는 영화 《땡큐 포 스모킹》에 출연했다.

2003년, 25세 때, 케이티 홈즈는 드라마 《도슨의 청춘일기》 출연을 종료했다.

2003년, 25세 때, 케이티 홈즈는 브로드웨이 무대인 아서 밀러의 《모두가 나의 아들》에 출연했다.

2003년 말, 25세 때, 케이티 홈즈는 배우 크리스 클라인과 약혼했다.

2004년, 25세 때, 케이티 홈즈는 영화 《대통령의 딸》에 출연했다.

2005년 초, 26세 때, 케이티 홈즈는 약혼자였던 크리스 클라인과 결별했다.

2005년, 26세 때, 케이티 홈즈는 영화 《배트맨 비긴즈》에서 레이첼 도스 역을 연기하며 경력 중 가장 성공적인 성과를 거두었다.

2005년, 27세 때, 케이티 홈즈는 영화 《땡큐 포 스모킹》에 출연했다.

2005년, 27세 때, 케이티 홈즈는 배우 톰 크루즈와 데이트를 시작했다.

2005년 6월, 26세 때, 케이티 홈즈는 톰 크루즈와 약혼했다.

2006년 4월 18일, 27세 때, 케이티 홈즈는 톰 크루즈와의 사이에서 딸 수리 크루즈를 출산했다.

2006년 11월 17일, 28세 때, 케이티 홈즈는 로스앤젤레스에서 이탈리아식으로 결혼식을 올리겠다고 발표했다.

2006년 11월 18일, 28세 때, 케이티 홈즈는 이탈리아 브라차노의 오데스칼키 고성에서 톰 크루즈와 결혼식을 올렸다.

2008년, 29세 때, 케이티 홈즈는 영화 《머드 머니》와 텔레비전 드라마 《일라이 스톤》에 출연했다.

2010년, 31세 때, 케이티 홈즈는 영화 《엑스트라 맨》, 《더 로맨틱》, 《돈비 어프레이드-어둠 속의 속삭임》에 출연했다.

2011년, 32세 때, 케이티 홈즈는 영화 《잭 앤 질》과 《화이트 밀크》에 출연했다.

2011년, 33세 때, 케이티 홈즈는 텔레비전 드라마 《케네디스》와 《내가 그녀를 만났을 때》에 출연했다.

2012년 6월 29일, 33세 때, 케이티 홈즈는 톰 크루즈와 합의 이혼을 발표했다. 이유는 톰 크루즈가 딸 수리를 사이언톨로지교 계열 학교에 입학시키려 하여 두 사람 사이에 불화가 생겼기 때문이다.

2012년 7월 9일, 33세 때, 케이티 홈즈는 톰 크루즈와 이혼 서류에 사인하여 법적으로 이혼했다.

2012년, 34세 때, 케이티 홈즈는 이혼 후 딸 수리의 양육권을 획득했다.

2013년, 34세 때, 케이티 홈즈는 영화 《데이즈 앤 나이츠》와 드라마 《내가 그녀를 만났을 때》에 출연했다.

2014년, 35세 때, 케이티 홈즈는 영화 《더 기버: 기억전달자》와 《미스 메도우》에 출연했다.

2015년, 36세 때, 케이티 홈즈는 영화 《우먼 인 골드》와 《마니아 데이즈》에 출연했다.

2015년, 37세 때, 케이티 홈즈는 영화 《언더독스》의 영어판 더빙에 참여했다.

2015년, 37세 때, 케이티 홈즈는 드라마 《레이 도노반》에 출연했다.

2015년, 37세 때, 케이티 홈즈는 단편 다큐멘터리 《이터널 프린세스》를 연출하며 감독으로 데뷔했다.

2016년, 37세 때, 케이티 홈즈는 드라마 《케네디스: 애프터 카멜로》에 출연했다.

2020년, 41세 때, 케이티 홈즈는 영화 《더 보이 2: 돌아온 브람스》에서 리자 역으로 출연했다.

2020년 9월 7일, 41세 때, 케이티 홈즈는 뉴욕의 한 식당에서 셰프 에밀리오 비톨로와 저녁 식사를 하며 키스를 나누고 무릎에 앉는 등 다정한 스킨십을 나누었다.

2020년 9월 8일, 41세 때, 케이티 홈즈는 8세 연하인 셰프 에밀리오 비톨로와 연인 사이가 되었음을 외신 보도를 통해 밝혔다.