Cattrall začala svou kariéru po absolvování střední školy Georgese P. Vaniera v roce 1972, kdy odešla z Kanady do New Yorku. Tam navštěvovala Americkou akademii dramatických umění a po jejím absolvování podepsala pětiletou filmovou smlouvu s režisérem Otto Premingerem. Ve filmu debutovala v Premingerově akčním thrilleru Rosebud (1975). O rok později studio Universal tuto smlouvu odkoupilo a Cattrallová se stala jedním z posledních účastníků systému smluvních hráčů společnosti Universal (v tomto období označované také jako MCA/Universal), než tento systém v roce 1980 skončil. Zástupkyně systému Universal v New Yorku, Eleanor Kilgallenová (sestra Dorothy Kilgallenové), obsadila Cattrallovou do mnoha televizních rolí hostujících hvězd. Jednu z prvních rolí jí Kilgallenová sehnala v epizodě seriálu Quincy, M.E. z roku 1977 s Jackem Klugmanem, kterého Kilgallenová rovněž zastupovala.

V roce 1978 hrála Cattrallová milostnou roli vraždícího psychologa v epizodě seriálu Columbo a také v epizodě „Blindfold“ akčního seriálu ze 70. let Starsky & Hutch, v níž je Starsky (hrál ho Paul Michael Glaser) zarmoucený, protože omylem oslepil Cattrallové postavu, mladou výtvarnici Emily Harrisonovou, výstřelem ze své zbraně. Hrála ve filmech The Bastard (1978) a The Rebels (1979), dvou televizních minisériích natočených podle stejnojmenných románů Johna Jakese. V roce 1979 si zahrála roli doktorky Gabrielle Whiteové v seriálu Neuvěřitelný Hulk a do televizní historie Hulka se zapsala jako jedna z mála postav, které věděly, že David Banner (alter ego titulní postavy) žije a je stvořením. Práce v televizi se jí vyplatila a rychle přešla na filmové plátno. Zahrála si po boku Jacka Lemmona ve filmu Pocta (1980), nominovaném na Oscara, a ve filmu Crossbar o skokanovi do výšky, který přijde o nohu, a přesto se s pomocí Cattrallové zúčastní olympijských zkoušek. Následující rok se objevila ve filmu Lístek do nebe.

V roce 1982 si Cattrallová zahrála učitelku tělocviku slečnu Honeywellovou ve filmu Porky’s, o dva roky později následovala role v původní Policejní akademii. V roce 1985 hrála ve třech filmech: V posledním z nich si zahrála s francouzskou hvězdou Jean-Paulem Belmondem. V roce 1986 si zahrála mozkovnu Kurta Russella v akčním filmu Big Trouble in Little China. V roce 1987 zaznamenala velký divácký úspěch hlavní rolí v kultovní komedii Mannequin. Jednou z jejích nejznámějších filmových rolí je poručík Valeris ve filmu Star Trek VI: Neobjevená země; Cattrallová se podílela na vývoji postavy tím, že si sama navrhla účes, a dokonce pomohla vymyslet její jméno.

Kromě filmové práce je Cattrallová také divadelní herečkou, na svém kontě má účinkování ve hrách Arthura Millera Pohled z mostu a Antona Čechova Tři sestry a Divoký med. Kromě toho ji můžete slyšet, jak čte poezii Ruperta Brooka na CD Red Rose Music SACD Sampler Volume One. V roce 1997 byla obsazena do seriálu Sex ve městě Darrena Stara, který byl vysílán na HBO. Jako Samantha Jonesová získala Cattrallová mezinárodní uznání. Svůj úspěch zužitkovala účinkováním v parných televizních reklamách propagujících Pepsi One. Sex ve městě se vysílal šest sezón a skončil jako týdenní seriál na jaře 2004 s 10,6 milionu diváků. Cattrallová si zopakovala roli Samanthy Jonesové ve filmu Sex ve městě, který byl uveden do kin 30. května 2008. Objevila se také v pokračování uvedeném do kin v květnu 2010. Za svou roli v televizním seriálu byla pětkrát nominována na cenu Emmy a čtyřikrát na Zlatý glóbus, přičemž jednu z nich v roce 2002 získala. Získala také dvě souborné ceny Screen Actors Guild Awards, o které se podělila se svými hereckými kolegyněmi Sarah Jessicou Parkerovou, Kristin Davisovou a Cynthií Nixonovou. V roce 2005 se umístila na osmém místě v žebříčku 50 nejvíce sexy hvězd všech dob, který sestavil časopis TV Guide. V roce 2008 byla oceněna na Cosmopolitan UK Ultimate Women Of The Year Awards cenou Ultimate Icon Award za roli „Samanthy“ v oblíbeném seriálu. Na Světovém televizním festivalu v Banffu v roce 2008 jí byla rovněž udělena cena NBC Universal Canada Award of Distinction.

Cattrall v roce 2007

V roce 2005 se objevila v Disneyho filmu Ledová princezna, kde hrála Tinu Harwoodovou, trenérku bruslení hlavní hrdinky filmu. V obnoveném dramatu na West Endu Whose Life Is It Anyway ztvárnila Claire, ochrnutou ženu, která chce zemřít. V témže roce získala ocenění časopisu Glamour „Woman of the Year Awards“ pro divadelní herečku. V říjnu 2006 se objevila s nadšenými ohlasy v představení Davida Mameta The Cryptogram na West Endu v londýnském divadle Donmar Warehouse. Od konce roku 2005 se objevila v řadě britských televizních reklam na čaj Tetley. V červenci 2006 byla z novozélandské televize stažena reklama na automobily Nissan, v níž Cattrallová vystupovala jako Samantha Jonesová, zřejmě kvůli stížnostem na její narážky. Později si zahrála po boku Brendana Gleesona ve filmu Johna Boormana Tygří ocas (2006), černé komedii, která se zaměřuje na dopad ekonomiky Keltského tygra na Iry. Na stanici ITV si zahrála po boku Davida Haiga, Daniela Radcliffa a Carey Mulligan ve filmu My Boy Jack, příběhu spisovatele Rudyarda Kiplinga o hledání jeho syna ztraceného v první světové válce

V roce 2009 si Cattrallová zahrála Amelii Blyovou v dobře přijatém filmu Romana Polanského The Ghost Writer a namluvila postavu Dee v kanadském animovaném sitcomu pro dospělé Producing Parker, za což byla v roce 2010 oceněna cenou Gemini za nejlepší výkon v animovaném programu nebo seriálu. Později v roce 2009 bylo oznámeno, že Cattrallová dostane hvězdu na kanadském chodníku slávy v Torontu v provincii Ontario. Slavnostní uvedení se konalo 12. září 2009. V listopadu 2009 se během natáčení filmu Sex ve městě 2 v marockém Marrákeši zúčastnila semináře „Being directed“ s režisérem Johnem Boormanem v rámci třetího ročníku festivalu Arts in Marrakech. 24. února 2010 začala Cattrallová hrát v londýnském West Endu v divadle Vaudeville Theatre hlavní roli Amandy po boku Matthewa Macfadyena v obnovené hře Noëla Cowarda Soukromé životy. Hrála zde do 3. května 2010 a v roce 2011 získala nominaci na cenu Whats on Stage v kategorii „Nejlepší herečka“. V témže roce si Cattrallová zahrála roli Glorie Scabiusové (opět po boku Macfadyena) v kritikou oceňované adaptaci románu Williama Boyda Any Human Heart na stanici Channel 4.

Cattrallová hrála Kleopatru v inscenaci Antonius a Kleopatra v režii Janet Suzmanové po boku Jefferyho Kissoona v roli Antonia v říjnu 2010 v liverpoolském divadle Playhouse a v následném obnoveném uvedení v Chichester Festival Theatre (s Michaelem Penningtonem v roli Antonia) v září 2012. V roce 2010 byla Cattrallová za svůj přínos dramatickému umění jmenována čestnou členkou Liverpool John Moores University. V roce 2011 si Cattrallová zopakovala roli Amandy v inscenaci hry Noëla Cowarda Private Lives po boku kanadského herce Paula Grosse v Torontu a na Broadwayi. Divadelní kritika deníku New York Times Cattrallové výkon pochválila a získala nominaci na cenu Drama League Award. V témže roce se Cattrallová objevila také ve filmu Uptown Downstairs Abbey, parodii Comic Relief na kritikou oceňovaná historická televizní dramata Downton Abbey a Upstairs, Downstairs. V roli lady Granthamové si zahrála po boku Jennifer Saundersové, Joanny Lumleyové, Victorie Woodové, Harryho Enfielda, Patricka Barlowa, Dalea Wintona, Olivie Colmanové, Tima Vinea, Simona Callowa, Michaela Gambona a Harryho Hilla.

Od června do srpna 2013 měla Cattrallová hrát v inscenaci hry Tennessee Williamse Sweet Bird of Youth v divadle Old Vic v režii držitelky Olivier Award Marianne Elliottové. V roce 2014 hrála hlavní roli a byla výkonnou producentkou kanadské HBO ve filmu Citlivá kůže a adaptaci popu britského seriálu z roku 2005. V roce 2015 byl seriál nominován na mezinárodní cenu Emmy. Seriál byl nominován na řadu kanadských filmových cen, přičemž Cattrallová získala nominaci v roce 2017 za roli Daviny Jacksonové v tomto seriálu. Seriál je nyní k dispozici ke streamování na Netflixu.

Dne 17. července 2015 byla Cattrallová obsazena do titulní role Lindy v nové hře Penelope Skinnerové, kterou bude režírovat Michael Longhurst a která bude uvedena v londýnském Royal Court Theatre. Několik dní před premiérou byla nucena z této inscenace odstoupit kvůli „chronické, vysilující nespavosti“. Vrátila se do New Yorku a zahájila program kognitivně-behaviorální terapie, aby se naučila lépe spát. Terapie byla úspěšná; zahrnovala vytvoření určitých večerních rituálů, odstranění elektronických zařízení z její ložnice a omezení používání postele na dvě činnosti, z nichž jednou měl být spánek. Mezitím pro plánovanou premiéru Skinnerovy hry v prosinci 2015 převzala roli herečka Noma Dumezweni, která sklidila velký ohlas a publicitu. Cattrallová se v pořadu BBC Women’s Hour svěřila se svou cestou za nespavostí a s tím, jak ji dokázala zvládnout. Cattrallová se později v témže roce vrátila k hostování v pořadu BBC Women’s Hour, aby diskutovala o tématech „Choosing to Be Child Free“ a „Being a Parent Without Giving Birth“, která vyvolala kontroverzní reakce a názory. V roce 2015 byla k vidění také v krátkém filmu Ruby Robinson od SkyArts, fyzické komedii, kde Cattrallová hrála roli Ruby, ženy žijící se skupinou neobvyklých akrobatických pomocníků, které její synovec udělí cennou lekci.

Catrallová se zúčastnila pořadu BBC Arts I’m with the Banned, který byl stěžejní akcí v rámci oslav desátého výročí založení Běloruského svobodného divadla (BFT). Koncert na objednávku The Space se konal v londýnském divadle KOKO a byl vysílán do celého světa. Radikální undergroundová společnost BFT dala dohromady jedinečnou sestavu hudebníků a performerů, aby se postavila za uměleckou svobodu projevu a proti bezpráví.

V roce 2016 hrála Cattrallová v minisérii BBC Svědek obžaloby podle povídky Agathy Christie. Slavná dvoudílná minisérie byla v roce 2017 nominována na cenu BAFTA v kategorii „Nejlepší minisérie“. V roce 2017 se Cattrallová připojila také k obsazení populárního švédského televizního pořadu Modus, kde si zahrála prezidentku Spojených států. Seriál Modus se poprvé vysílal ve Švédsku v roce 2015 a později jej odvysílala britská stanice BBC Four. Seriál se vysílá také v Kanadě, Austrálii, Francii a Japonsku a stará se o něj společnost FremantleMedia International.

V roce 2020 se Cattrallová vrátila na televizní obrazovky v dramatu společnosti Fox Filthy Rich, kde si zahrála Margaret Monreauxovou, matriarchu jižanské rodiny, která se stala mega bohatou a proslavila se vytvořením mimořádně úspěšné křesťanské televizní sítě. Poté, co její manžel zemře při leteckém neštěstí, jsou Margaret a její rodina ohromeni zjištěním, že zplodil tři nemanželské děti, které jsou všechny zapsány v jeho závěti – což ohrožuje jejich rodinné jméno a majetek. Cattrallová se na seriálu podílela také jako producentka. Na televizním festivalu v Atlantě v roce 2020 byla Cattrallová za tento seriál oceněna cenou Icon Award.