Nació Ciudad de México, en 1972. Su padre es el famoso actor Eric del Castillo y su madre es Kate Trillo. Su tiene una hermana llamada Valeria y un medio hermano de nombre Ponciano.
Debutó a los 8 años en la pantalla grande con la cinta El Último Escape, pero no fue sino hasta 1991, que durante su juventud, dio vida a Leticia en la telenovela Muchachitas.
Desde ese momento, no ha parado de trabajar. Realizó varias novelas como La Mentira y Ramona, así como las cintas El Precio de la Inocencia y la exitosa La Misma Luna; además incursionó en el doblaje en cintas como Cars y Río.
Por otro lado, ha tenido proyectos que la han llevado a la cima de la fama internacional, como fue La Reina del Sur, adaptación de la novela de Arturo Pérez Reverte, en la que interpretó a Teresa Mendoza, una joven que poco a poco entró al mundo del narcotráfico.
Esa no ha sido la única vez que Kate dio vida a mujeres que llegan al mundo de las drogas, por su exitosa actuación obtuvo papeles como Pilar Zuazo en la serie Weeds y Anastasia Cardona en la telenovela Dueñas del Paraíso, ambas mujeres que llegan al narcotráfico y obtienen poder rodeado de violencia.
Su trayectoria internacional continuó en crecimiento y participó en cintas como Without Men con Eva Longoria, Trade, junto a Kevin Kline y al lado de Tilda Swinton en la cinta Julia.
En 2017, estuvo en la mirada del público por al estrenar el documental Cuando Conocí al Chapo: La historia de Kate del Castillo, en la que la actriz narraba su experiencia al hablar con el capo. Este proyecto dio mucho de qué hablar por los secretos que la actriz reveló, como su amorío con el actor Sean Penn, con quien realizó dicha entrevista, y la infiltración de mensajes entre la actriz y el narcotraficante.
Otros proyectos en los que ha trabajado son All About Nina y Bad Boys 3, compartiendo escena con Will Smith y su compatriota Paola Núñez.
En el amor, ha estado casada con el ex futbolista Luis García y el actor Aarón Díaz; además se le ha relacionado con actores como Demian Bichir, Sean Penn, Kuno Becker y Alec Waithe.
Actualmente es activista y defiende los derechos de los latinos en Estados Unidos, apoya ciertos movimientos feministas y se pronuncia en contra del maltrato animal, además de ser fanática de las artes marciales mixtas.
En Instragram cuenta con 8.2mm de seguidores, con los que comparte fotos familiares, portadas de revista, mensajes activistas, videos y fotos de viajes.
También se convirtió en la imagen de la marca de tequila Honor y visitó recientemente Guadalajara, lugar donde planea participar en dos cintas, en las que se desempeñará como productora.