Katherine DeMille, właściwie Edith Katherine Lester, urodziła się 29 czerwca 1911 roku w Vancouver w Kolumbii Brytyjskiej w Kanadzie jako córka Edwarda Gabriela Lestera, porucznika armii brytyjskiej poległego podczas I wojny światowej, oraz Cecile Elizabeth Berthy Colani. Po śmierci ojca trafiła do sierocińca, gdzie została odnaleziona przez Constance DeMille. Wkrótce adoptowali ją Constance oraz jej mąż, reżyser Cecil B. DeMille. Wychowywała się w zamożnym i artystycznym środowisku, otrzymując staranne wykształcenie; biegle władała kilkoma językami, co w przyszłości sprzyjało obsadzaniu jej w rolach arystokratek i postaci o „egzotycznym” rysie. Na ekranie pojawiła się po raz pierwszy jako statystka w filmie „The Black Pirate” (1926) z Douglasem Fairbanksem. W latach 30. rozpoczęła regularną karierę filmową, współpracując głównie z Paramount Pictures. Wystąpiła m.in. w filmach „The Crusades” (1935), „The Plainsman” (1936) oraz „North West Mounted Police” (1940). Obsadzano ją najczęściej w rolach drugoplanowych w widowiskach historycznych i przygodowych, gdzie wykorzystywano jej wyrazistą prezencję i dobre przygotowanie językowe. W 1937 roku poślubiła aktora Anthony’ego Quinna. Z tego małżeństwa urodziło się pięcioro dzieci: Christopher, Christina, Catalina, Duncan i Lorenzo. W 1941 roku dwuletni Christopher utonął w stawie na posesji W.C. Fieldsa, co było dla rodziny głęboką tragedią i miało istotny wpływ na życie prywatne Katherine. Małżeństwo z Quinnem zakończyło się rozwodem w 1965 roku; był to jej jedyny związek małżeński. W późniejszych latach ograniczyła działalność aktorską i wycofała się z życia filmowego, koncentrując się na rodzinie. Zmarła 27 kwietnia 1995 roku w Tucson w stanie Arizona w USA w wieku 83 lat. Przyczyną śmierci były powikłania choroby Alzheimera. Została pochowana na Holy Hope Cemetery w Tucson. Pogrzeb miał charakter prywatny i odbył się w gronie rodziny oraz najbliższych. Katherine DeMille pozostaje postacią silnie związaną z hollywoodzkim systemem studyjnym lat 30. i 40. Choć jej kariera rozwijała się w cieniu sławnego przybranego ojca, stworzyła własny dorobek w filmach historycznych i przygodowych, stanowiących ważną część klasycznego kina amerykańskiego.