Katharina Thalbach ist die Tochter der Schauspielerin Sabine Thalbach und des Regisseurs Benno Besson. Mit dreizehn Jahren wurde sie Meisterschülerin von Helene Weigel. Neben vielen Theaterengagements tritt sie regelmäßig in Kino- und Fernsehfilmen auf. Anfang der 1990er-Jahre war sie Mitglied des Schauspielensembles am Schillertheater, wo sie mit Macbeth als Regisseurin in der Werkstatt debütierte. Auf der großen Bühne folgten die Regiearbeiten Minna von Barnhelm und Was ihr wollt. Mit der freien Opernproduktion Don Giovanni im E-Werk in Berlin machte sie 1997 erste Opernerfahrungen. Weitere Regierarbeiten sind Orpheus in der Unterwelt in Basel sowie Salome, Jenůfa, Rotter und Aufstieg und Fall der Stadt Mahagonny an der Oper Köln. An der Deutschen Oper Berlin debütierte sie 2000 mit Das schlaue Füchslein und inszenierte dort 2009 auch Il barbiere di Siviglia. Im Jahr 2006 inszenierte sie an der Semperoper Dresden Hänsel und Gretel.