Comme toute jeune actrice, Catherine Keener débute dans de tout petits rôles : A propos d’hier soir de Edward Zwick (1986), Dans la peau d’une blonde de Blake Edwards (1991), avec Téa Léonie ou Johnny Suede de Tom DiCillo (1992, avec Brad Pitt). Celui-ci lui offre d’ailleurs un autre rôle trois ans plus tard, dans Ça tourne à Manhattan, où elle partage l’affiche avec son mari, Dermot Mulroney, puis dans Box Of Moonlight (1997) et Une Vraie blonde (1998). La même année, elle est aussi dans Hors d’atteinte, de Steven Soderbergh, et en 1999 elle fait le grand écart entre 8 MM de Joel Schumacher et Dans la peau de John Malkovich de Spike Jonze, qui lance définitivement sa carrière et pour lequel elle est nominée aux Oscar et aux Gloden Globes pour le meilleur second rôle. En 2002, Andrew Niccol lui fait jouer Elaine dans son film Simone, avec Al Pacino, et Steven Soderbergh fait de nouveau appel à elle pour Full Frontal. L’année suivante, Spike Jonze lui propose de jouer son propre rôle dans Adaptation (avec Chris Cooper). Elle nous prouve encore une fois son éclectisme en 2005 en enchaînant les tournages de L’Interprète de Sydney Pollack, avec Sean Penn et Nicole Kidman et celui de 40 ans, toujours puceau de Judd Apatow, avec Steve Carell et Paul Rudd. Depuis elle n’arrête pas : La Ballade de Jack et Rose, de Rebecca Miller avec Daniel Day-Lewis, Truman Capote, aux côtés de Philip Seymour Hoffman, dans la rôle de l’écrivain Harper Lee qui lui vaut une nouvelle nomination aux Oscar et Friends With Money (avec Jennifer Aniston et Frances McDormand) en 2006, Into The Wild de Sean Penn et Panique à Hollywood de Barry Levinson, avec Robert De Niro, Stanley Tucci et de nouveau Sean Penn en 2008. A partir de 2009, l’actrice collabore à Synecdoche, New York de Charlie Kaufman, Le Soliste, dont elle partage l’affiche avec Jamie Foxx et Robert Downey Jr. et Max et les Maximonstres, sa troisième collaboration avec Spike Jonze, Percy Jackson le voleur de foudre, avec Pierce Brosnan et Sean Bean, entre autres. Nous la verrons bientôt dans dans The Oranges, Nailed, Please Give et Trust, le deuxième film de David Schwimmer.