Cattrall begyndte sin karriere efter sin eksamen fra Georges P. Vanier Secondary School i 1972, hvor hun forlod Canada for at tage til New York City. Her gik hun på American Academy of Dramatic Arts, og efter sin eksamen underskrev hun en femårig filmaftale med instruktøren Otto Preminger. Hun fik sin filmdebut i Preminger’s actionthriller Rosebud (1975). Et år senere opkøbte Universal Studios denne kontrakt, og Cattrall blev en af de sidste deltagere i Universal’s kontraktspillersystem (også omtalt som MCA/Universal i denne periode), inden systemet ophørte i 1980. Universal-systemets repræsentant i New York, Eleanor Kilgallen (søster til Dorothy Kilgallen), castede Cattrall i adskillige gæstestjerne-roller på tv. Et af de første job, som Kilgallen skaffede hende, var i et afsnit af Quincy, M.E. fra 1977 med Jack Klugman i hovedrollen, som Kilgallen også repræsenterede.

I 1978 spillede Cattrall kærlighedsinteressen for en morderisk psykolog i et afsnit af Columbo og også i “Blindfold”, et afsnit af 1970’ernes actionserie Starsky & Hutch, hvor Starsky (spillet af Paul Michael Glaser) er i sorg, da han ved et uheld har gjort Cattralls karakter, den unge kunstner Emily Harrison, blind med et skud fra sin pistol. Hun spillede hovedrollen i The Bastard (1978) og The Rebels (1979), to tv-miniserier baseret på John Jakes romaner af samme navn. I 1979 spillede hun rollen som Dr. Gabrielle White i The Incredible Hulk og ville gå over i tv-hulken som en af de få personer, der vidste, at David Banner (titelpersonens alter ego) var i live og var væsenet. Hendes arbejde i fjernsynet gav pote, og hun gik hurtigt over til biografen. Hun spillede hovedrollen over for Jack Lemmon i hans Oscar-nominerede film Tribute (1980) og i Crossbar, filmen om en højdespringer, der mister sit ben og alligevel deltager i de olympiske prøver, med Cattralls hjælp. Året efter medvirkede hun i Ticket to Heaven.

I 1982 spillede Cattrall gymnastiklæreren Miss Honeywell i Porky’s, efterfulgt to år senere af en rolle i den originale Police Academy. I 1985 medvirkede hun i tre film: Turk 182, City Limits og Hold-Up, den sidste med den franske stjerne Jean-Paul Belmondo. I 1986 spillede hun Kurt Russells kloge flamme i actionfilmen Big Trouble in Little China. I 1987 blev hendes hovedrolle i kultkomedien Mannequin en stor publikumssucces. En af hendes mest kendte filmroller er rollen som løjtnant Valeris i Star Trek VI: The Undiscovered Country; Cattrall hjalp med at udvikle karakteren ved at designe sin egen frisure og var endda med til at finde på navnet.

Suden sit filmarbejde er Cattrall også skuespillerinde på scenen, hvor hun har medvirket i Arthur Millers A View from the Bridge og Anton Chekhov’s Three Sisters og Wild Honey. Desuden kan man høre hende læse Rupert Brookes digte på cd’en Red Rose Music SACD Sampler Volume One. I 1997 var hun med i Sex and the City, Darren Stars serie, som blev sendt på HBO. Som Samantha Jones opnåede Cattrall international anerkendelse. Hun udnyttede sin succes ved at medvirke i dampende tv-reklamer for Pepsi One. Sex and the City løb i seks sæsoner og sluttede som en ugentlig serie i foråret 2004 med 10,6 millioner seere. Cattrall genoptog rollen som Samantha Jones i Sex and the City-filmen, der udkom den 30. maj 2008. Hun medvirkede også i efterfølgeren, der udkom i maj 2010. For sin rolle i tv-serien blev hun nomineret til fem Emmy Awards og fire Golden Globe Awards, hvoraf hun vandt en i 2002. Hun vandt også to Screen Actors Guild Awards, som hun delte med sine medspillere Sarah Jessica Parker, Kristin Davis og Cynthia Nixon. Hun blev i 2005 placeret som nummer otte på TV Guides liste over de 50 mest sexede stjerner nogensinde på TV Guide’s liste over de mest sexede stjerner nogensinde. I 2008 blev hun hædret ved Cosmopolitan UK Ultimate Women Of The Year Awards med den ultimative ikonpris for sin rolle som “Samantha” i hitserien. Hun blev også tildelt NBC Universal Canada Award of Distinction ved Banff World TV Festival i 2008.

Cattrall i 2007

I 2005 medvirkede hun i Disney-filmen Ice Princess, hvor hun spillede Tina Harwood, der er skøjteløber for filmens hovedperson. Hun portrætterede Claire, en lammet kvinde, der ønsker at dø, i West End-dramaet Whose Life Is It Anyway? Hun blev samme år hædret af Glamour Magazine i forbindelse med “Woman of the Year Awards” for teaterskuespillerinde. I oktober 2006 optrådte hun til rosende anmeldelser i en West End-produktion af David Mamets The Cryptogram på Donmar Warehouse i London. Siden slutningen af 2005 har hun medvirket i en række britiske tv-reklamer for Tetley Tea. I juli 2006 blev en reklamefilm for Nissan-biler, hvor Cattrall var med i rollen som Samantha Jones, trukket tilbage fra newzealandsk tv, tilsyneladende på grund af klager over insinuationer i reklamen. Senere spillede hun sammen med Brendan Gleeson i John Boormans film The Tiger’s Tail (2006), en sort komedie, der fokuserer på den keltiske tigers økonomiske indvirkning på den irske befolkning. På ITV spillede hun sammen med David Haig, Daniel Radcliffe og Carey Mulligan hovedrollen i My Boy Jack, historien om forfatteren Rudyard Kiplings søgen efter sin søn, der forsvandt under Første Verdenskrig

I 2009 spillede Cattrall Amelia Bly i Roman Polanskis velbesøgte The Ghost Writer og lagde stemme til karakteren Dee i den canadiske animerede sitcom for voksne, Producing Parker, sidstnævnte, for hvilken hun blev tildelt en Gemini for bedste præstation i et animeret program eller en serie i 2010. Senere i 2009 blev det annonceret, at Cattrall ville få en stjerne på Canada’s Walk of Fame i Toronto, Ontario. Indvielsesceremonien blev afholdt den 12. september 2009. I november 2009, mens hun optog Sex and the City 2 i Marrakech, Marokko, deltog hun i et seminar, “Being directed” med instruktør John Boorman som en del af den tredje udgave af Arts in Marrakech Festival. Den 24. februar 2010 begyndte Cattrall at optræde i West End i London på Vaudeville Theatre som hovedrolleindehaver Amanda over for Matthew Macfadyen i en genoptagelse af Noël Cowards skuespil Private Lives. Hun optrådte indtil den 3. maj 2010 og blev nomineret til en Whats on Stage-nominering i 2011 for “Bedste skuespillerinde”. Samme år spillede Cattrall hovedrollen som Gloria Scabius (igen sammen med Macfadyen) i den anmelderroste Channel 4-filmatisering af William Boyds roman Any Human Heart.

Cattrall spillede Cleopatra i en opsætning af Antony and Cleopatra, instrueret af Janet Suzman, over for Jeffery Kissoon som Anthony, i Liverpool på Playhouse i oktober 2010, med en efterfølgende genopsætning på Chichester Festival Theatre (med Michael Pennington som Anthony) i september 2012. I 2010 blev Cattrall udnævnt til æresmedlem af Liverpool John Moores University som anerkendelse af hendes bidrag til den dramatiske kunst. I 2011 genoptog Cattrall sin rolle som Amanda i en opsætning af Noël Cowards Private Lives over for den canadiske skuespiller Paul Gross i Toronto og på Broadway. Teaterkritikeren i New York Times var begejstret for Cattralls præstation, og hun modtog en nominering til en Drama League Award. Samme år medvirkede Cattrall også i Uptown Downstairs Abbey, Comic Relief-parodien på de anmelderroste historiske tv-dramaer Downton Abbey og Upstairs, Downstairs. I rollen som Lady Grantham spillede hun sammen med Jennifer Saunders, Joanna Lumley, Victoria Wood, Harry Enfield, Patrick Barlow, Dale Winton, Olivia Colman, Tim Vine, Simon Callow, Michael Gambon og Harry Hill.

Fra juni til august 2013 skulle Cattrall spille med i The Old Vics opsætning af Tennessee Williams’ Sweet Bird of Youth, instrueret af Olivier Award-vinder Marianne Elliott. I 2014 spillede hun hovedrollen og var executive producer i HBO Canadas Sensitive Skin og adaptation pop den britiske serie fra 2005. I 2015 blev serien nomineret til en International Emmy Award. Serien blev nomineret til adskillige Canadian Screen Awards, hvor Cattrall modtog en nominering i 2017 for sin rolle som Davina Jackson i serien. Serien kan nu streames på Netflix.

Den 17. juli 2015 blev Cattrall castet til titelrollen som Linda i et nyt stykke af Penelope Skinner, der skal instrueres af Michael Longhurst og produceres på Royal Court Theatre i London. Hun blev tvunget til at droppe ud af denne produktion et par dage før premieren på grund af “kronisk, invaliderende søvnløshed”. Hun vendte tilbage til New York og påbegyndte et program med kognitiv adfærdsterapi for at træne sig selv i at kunne sove bedre. Terapien var vellykket; den omfattede udvikling af visse aftenritualer, fjernelse af elektroniske apparater fra hendes soveværelse og begrænsning af brugen af sengen til to aktiviteter, hvoraf den ene skulle være at sove. I mellemtiden overtog skuespillerinden Noma Dumezweni rollen til den planlagte premiere af Skinners skuespil i december 2015 til stor begejstring og stor omtale. Cattrall åbnede op for BBC Women’s Hour om sin søvnløshedsrejse, og hvordan hun var i stand til at håndtere den. Cattrall vendte senere samme år tilbage til BBC’s Women’s Hour for at gæsteudgive BBC’s Women’s Hour og diskutere “Choosing to Be Child Free” og “Being a Parent Without Giving Birth”, hvilket gav anledning til kontroversielle reaktioner og holdninger. Hun blev også set i 2015 i SkyArts-kortfilmen Ruby Robinson, en fysisk komedie, hvor Cattrall spillede hovedrollen som Ruby, en kvinde, der bor sammen med en troppe af usædvanlige akrobatiske hjælpere, som får en værdifuld lektion af sin nevø.

Catrall deltog i BBC Arts’ I’m with the Banned, flagskibsbegivenheden i Belarus Free Theatre’s (BFT) 10-års jubilæumsfejring. Koncerten, der var bestilt af The Space, fandt sted på KOKO i London og blev sendt over hele verden. Det radikale undergrundskompagni BFT samlede et unikt line-up af musikere og kunstnere for at stå op for kunstnerisk ytringsfrihed og mod uretfærdighed.

I 2016 spillede Cattrall hovedrollen i BBC’s miniserie The Witness for the Prosecution baseret på Agatha Christies novelle. Den fejrede todelte miniserie i to dele blev nomineret til en BAFTA-pris i 2017 for “Bedste miniserie”. I 2017 blev Cattrall også en del af castet i det succesfulde svenske tv-show Modus, hvor hun spillede præsidenten for USA. Modus blev først sendt i Sverige i 2015 og blev senere sendt af BBC Four i Storbritannien. Serien sendes også i Canada, Australien, Frankrig og Japan og varetages af FremantleMedia International.

I 2020 vendte Cattrall tilbage til tv i Fox-dramaet Filthy Rich, hvor hun spillede Margaret Monreaux, matriarken i en sydstatsfamilie, der er blevet megarig og berømt for at skabe et vildt succesfuldt kristent tv-netværk. Efter at hendes mand dør i et flystyrt, bliver Margaret og familien forbløffet over at erfare, at han er far til tre uægte børn, som alle bliver skrevet ind i hans testamente – hvilket truer deres familienavn og formue. Cattrall har også fungeret som producent på serien. Cattrall blev hædret på tv-festivalen i Atlanta i 2020 med Icon Award for serien.