Кейт Малгрю родилась в Дибекью, штат Айова в семье ирландских католиков. В семнадцатилетнем возрасте она была принята в консерваторию Стеллы Адлер при Нью-Йоркском университете и год спустя получила роль своенравной дочери героини Хелен Галлахер в мыльной опере канала ABC «Надежда Райан». Она снималась в шоу с 1975 по 1978, а после кратко возвращалась к своей роли в 1983, 1986 и в финале сериала в начале 1989 года. В восьмидесятых она сыграла главную роль в кинофильме «Незнакомец наблюдает» (1982), а также часто была гостем в различных популярных телесериалах, в числе которых были «Даллас», «Чирс», «Отель» и «Она написала убийство», снялась в ряде телефильмов и регулярно выступала на театральной сцене. На большом экране Малгрю также снялась в фильмах «Ремо Уильямс: Приключение начинается» (1985), «Сбрось маму с поезда» (1987) и «Затерянный лагерь» (1994).

Малгрю добилась наибольшей известности по своей роли Кэтрин Джейнвэй в телесериале «Звёздный путь: Вояджер» в котором снималась с 1995 по 2001 год, на протяжении всего периода трансляции шоу. Она стала первой женщиной, которая исполняла ведущую роль в проекте франшизы «Звёздный путь», и получила хорошие отзывы за свою игру, а также премии «Спутник» и «Сатурн» в 1998 году.

После завершения телесериала «Звёздный путь: Вояджер» Кейт Малгрю вернулась на театральную сцену и получила несколько наград за свои роли в различных постановках. В 2007 году она вернулась на телевидение с ролью в сериале «Братья Доннелли», который был закрыт после одного сезона. Также она сыграла роль матери главной героини в ещё одном недолго просуществовавшем сериале «Милосердие» в 2009—2010 годах, а после была гостем в сериале «Склад 13».

В 2013 году, Малгрю начала играть роль Галины Резниковой, русской заключённой по прозвищу «Рыжая», в сериале «Оранжевый — хит сезона». Ради этой роли, Малгрю сделала короткую стрижку и перекрасила волосы в красный цвет, а также изучила русский акцент, чтобы войти в образ. Эта роль в 2014 году принесла ей премию «Выбор телевизионных критиков» как лучшей актрисе комедийного сериала, а затем и номинацию на «Эмми» за лучшую женскую роль второго плана в комедийном сериале.