Née à Paris d'un père ingénieur et d'une mère prof de maths, Catherine Frot possède, dès sa plus tendre enfance, la comédie dans le sang. Enfant, elle faisait déjà le clown pour ses petits camarades, et décide de s'inscrire, à l'âge de 14 ans, au Conservatoire de Versailles, dont elle suit les cours tout en continuant l'école. En 1974, elle rentre à l'école de théâtre de la Rue Blanche, puis enchaîne avec trois années au sein du Conservatoire national. Elle joue beaucoup de classiques puis devient la figure de proue de la troupe du Chapeau Rouge, qui se fait remarquer au festival off d'Avignon en 1975. Au théâtre, on la voit en petite servante dans "La cerisaie", de Tchekhov, puis elle est une madame de Tourvel passionnée dans "Les liaisons dangereuses", sous la direction de Gérard Vergez. Elle fait ses débuts au cinéma en tout petit sous l'égide d'Alain Resnais, puis joue une baba-cool dans Quand tu seras débloqué, fais-moi signe, son premier rôle important, avant d'incarner une voisine candide dans Escalier C.
Elle est la sœur de Dominique_Frot