Cattrall begann ihre Karriere nach ihrem Abschluss an der Georges P. Vanier Secondary School im Jahr 1972, als sie Kanada in Richtung New York City verließ. Dort besuchte sie die American Academy of Dramatic Arts und unterschrieb nach ihrem Abschluss einen Fünfjahresvertrag mit Regisseur Otto Preminger. Ihr Filmdebüt gab sie in Premingers Actionthriller Rosebud (1975). Ein Jahr später kauften die Universal Studios diesen Vertrag auf und Cattrall wurde eine der letzten Teilnehmerinnen am Vertragsspielersystem von Universal (in dieser Zeit auch MCA/Universal genannt), bevor das System 1980 endete. Die Vertreterin des Universal-Systems in New York, Eleanor Kilgallen (Schwester von Dorothy Kilgallen), besetzte Cattrall in zahlreichen Gastrollen im Fernsehen. Einer der ersten Jobs, den Kilgallen ihr vermittelte, war 1977 eine Episode von Quincy, M.E. mit Jack Klugman, den Kilgallen ebenfalls vertrat.

Im Jahr 1978 spielte Cattrall die Geliebte eines mörderischen Psychologen in einer Folge von Columbo und auch in „Blindfold“, einer Folge der 70er-Jahre-Action-Serie Starsky & Hutch, in der Starsky (gespielt von Paul Michael Glaser) trauert, weil er Cattralls Figur, die junge Künstlerin Emily Harrison, versehentlich durch einen Schuss aus seiner Waffe geblendet hat. Sie spielte die Hauptrolle in The Bastard (1978) und The Rebels (1979), zwei Fernseh-Miniserien, die auf den gleichnamigen Romanen von John Jakes basieren. 1979 spielte sie die Rolle der Dr. Gabrielle White in The Incredible Hulk (Der unglaubliche Hulk) und ging als eine der wenigen Figuren, die wussten, dass David Banner (Alter Ego der Titelfigur) lebte und die Kreatur war, in die Geschichte des Fernseh-Hulks ein. Ihre Arbeit im Fernsehen zahlte sich aus und sie schaffte schnell den Übergang zum Kino. Sie spielte die Hauptrolle an der Seite von Jack Lemmon in seinem für den Oscar nominierten Film Tribute (1980) und in Crossbar, dem Film über einen Hochspringer, der sein Bein verliert und mit Cattralls Hilfe dennoch an den Olympischen Spielen teilnimmt. Im folgenden Jahr spielte sie in Ticket to Heaven.

1982 spielte Cattrall die Sportlehrerin Miss Honeywell in Porky’s, zwei Jahre später folgte eine Rolle im Originalfilm Police Academy. Im Jahr 1985 spielte sie in drei Filmen mit: Turk 182, City Limits und Hold-Up, letzterer mit dem französischen Star Jean-Paul Belmondo. 1986 spielte sie die kluge Flamme von Kurt Russell in dem Actionfilm Big Trouble in Little China. 1987 wurde ihre Hauptrolle in der Kultkomödie Mannequin ein großer Publikumserfolg. Eine ihrer bekanntesten Filmrollen ist die des Lieutenant Valeris in Star Trek VI: The Undiscovered Country; Cattrall war an der Entwicklung der Figur beteiligt, indem sie ihre eigene Frisur entwarf und sogar bei der Namensgebung half.

Neben ihrer Arbeit im Film ist Cattrall auch als Theaterschauspielerin tätig, wo sie in Arthur Millers A View from the Bridge und Anton Tschechows Drei Schwestern und Wild Honey auftrat. Außerdem ist sie auf der CD Red Rose Music SACD Sampler Volume One zu hören, wo sie Gedichte von Rupert Brooke liest. 1997 spielte sie in Sex and the City mit, einer Serie von Darren Star, die auf HBO ausgestrahlt wurde. Als Samantha Jones erlangte Cattrall internationale Anerkennung. Sie profitierte von ihrem Erfolg, indem sie in dampfenden Werbespots für Pepsi One auftrat. Sex and the City lief sechs Staffeln lang und endete als wöchentliche Serie im Frühjahr 2004 mit 10,6 Millionen Zuschauern. Im Film Sex and the City, der am 30. Mai 2008 in die Kinos kam, spielte Cattrall erneut die Rolle der Samantha Jones. Sie spielte auch in der Fortsetzung, die im Mai 2010 erschien. Für ihre Rolle in der Fernsehserie wurde sie für fünf Emmy Awards und vier Golden Globe Awards nominiert, von denen sie 2002 einen gewann. Sie gewann auch zwei Screen Actors Guild Awards, die sie sich mit ihren Co-Stars Sarah Jessica Parker, Kristin Davis und Cynthia Nixon teilte. Im Jahr 2005 wurde sie in der Liste der 50 sexiesten Stars aller Zeiten des TV Guide auf Platz acht gewählt. 2008 wurde sie bei den Cosmopolitan UK Ultimate Women Of The Year Awards mit dem Ultimate Icon Award für ihre Rolle als „Samantha“ in der Erfolgsserie geehrt. Außerdem wurde sie auf dem Banff World TV Festival 2008 mit dem NBC Universal Canada Award of Distinction ausgezeichnet.

Cattrall im Jahr 2007

Im Jahr 2005 erschien sie in dem Disney-Film Ice Princess, in dem sie Tina Harwood, die Eislauftrainerin der Hauptfigur des Films, spielte. Sie spielte Claire, eine gelähmte Frau, die sterben will, in der Wiederaufnahme des West-End-Dramas Whose Life Is It Anyway? In diesem Jahr wurde sie vom Glamour Magazine bei den „Woman of the Year Awards“ als Theaterschauspielerin ausgezeichnet. Im Oktober 2006 spielte sie in einer West-End-Produktion von David Mamets The Cryptogram im Donmar Warehouse in London und erntete begeisterte Kritiken. Seit Ende 2005 ist sie in einer Reihe von britischen Fernsehwerbespots für Tetley Tea zu sehen. Im Juli 2006 wurde ein Werbespot für Nissan-Autos, in dem Cattrall als Samantha Jones auftrat, aus dem neuseeländischen Fernsehen zurückgezogen, offenbar aufgrund von Beschwerden über die darin enthaltenen Anspielungen. Später spielte sie an der Seite von Brendan Gleeson in John Boormans Film The Tiger’s Tail (2006), einer schwarzen Komödie, die sich mit den Auswirkungen des keltischen Tigers auf die irische Wirtschaft befasst. Auf ITV spielte sie an der Seite von David Haig, Daniel Radcliffe und Carey Mulligan in My Boy Jack, der Geschichte des Schriftstellers Rudyard Kipling auf der Suche nach seinem im Ersten Weltkrieg verschollenen Sohn

Im Jahr 2009 spielte Cattrall die Rolle der Amelia Bly in Roman Polanskis viel beachtetem Film The Ghost Writer und verkörperte die Figur Dee in der kanadischen Zeichentrickserie Producing Parker, für die sie 2010 mit einem Gemini für die beste Darstellung in einer Zeichentrickserie ausgezeichnet wurde. Später im Jahr 2009 wurde bekannt gegeben, dass Cattrall einen Stern auf dem kanadischen Walk of Fame in Toronto, Ontario, erhalten würde. Die Einweihungsfeier fand am 12. September 2009 statt. Im November 2009 nahm sie während der Dreharbeiten zu Sex and the City 2 in Marrakesch, Marokko, an einem Seminar mit dem Regisseur John Boorman zum Thema „Regie führen“ teil, das im Rahmen der dritten Ausgabe des Festivals Arts in Marrakech stattfand. Am 24. Februar 2010 trat Cattrall im Londoner West End am Vaudeville Theatre als Hauptdarstellerin Amanda gegenüber Matthew Macfadyen in einer Wiederaufnahme von Noël Cowards Stück Private Lives auf. Sie spielte bis zum 3. Mai 2010 und erhielt 2011 eine Whats on Stage-Nominierung als „Beste Schauspielerin“. Im selben Jahr spielte Cattrall die Rolle der Gloria Scabius (erneut an der Seite von Macfadyen) in der von der Kritik hochgelobten Channel-4-Adaption von William Boyds Roman Any Human Heart.

Cattrall spielte Cleopatra in einer Produktion von Antony and Cleopatra unter der Regie von Janet Suzman an der Seite von Jeffery Kissoon als Anthony im Oktober 2010 im Playhouse in Liverpool, mit einer anschließenden Wiederaufnahme im Chichester Festival Theatre (mit Michael Pennington als Anthony) im September 2012. Im Jahr 2010 wurde Cattrall in Anerkennung ihrer Verdienste um die dramatischen Künste zum Honorary Fellow der Liverpool John Moores University ernannt. Im Jahr 2011 spielte Cattrall erneut die Rolle der Amanda in einer Inszenierung von Noël Cowards Private Lives an der Seite des kanadischen Schauspielers Paul Gross in Toronto und am Broadway. Die Theaterkritiker der New York Times schwärmten von Cattralls Leistung und sie erhielt eine Nominierung für den Drama League Award. Im selben Jahr trat Cattrall auch in Uptown Downstairs Abbey auf, der Comic Relief-Parodie der von der Kritik hochgelobten historischen Fernsehserien Downton Abbey und Upstairs, Downstairs. In der Rolle der Lady Grantham spielte sie an der Seite von Jennifer Saunders, Joanna Lumley, Victoria Wood, Harry Enfield, Patrick Barlow, Dale Winton, Olivia Colman, Tim Vine, Simon Callow, Michael Gambon und Harry Hill.

Von Juni bis August 2013 war Cattrall für die Hauptrolle in der Inszenierung von Tennessee Williams‘ Sweet Bird of Youth am Old Vic vorgesehen, bei der die Olivier-Preisträgerin Marianne Elliott Regie führte. 2014 übernahm sie die Hauptrolle und war ausführende Produzentin der kanadischen HBO-Serie Sensitive Skin, einer Adaption der britischen Serie aus dem Jahr 2005. Im Jahr 2015 wurde die Serie für einen International Emmy Award nominiert. Die Serie wurde für zahlreiche Canadian Screen Awards nominiert und Cattrall erhielt 2017 eine Nominierung für ihre Rolle als Davina Jackson in der Serie. Die Serie ist jetzt als Stream auf Netflix verfügbar.

Am 17. Juli 2015 wurde Cattrall für die Titelrolle der Linda in einem neuen Stück von Penelope Skinner besetzt, das unter der Regie von Michael Longhurst am Londoner Royal Court Theatre aufgeführt werden sollte. Wenige Tage vor der Premiere musste sie wegen „chronischer, lähmender Schlaflosigkeit“ aus der Produktion aussteigen. Sie kehrte nach New York zurück und begann eine kognitive Verhaltenstherapie, um sich selbst einen besseren Schlaf zu verschaffen. Die Therapie war erfolgreich: Sie entwickelte bestimmte abendliche Rituale, entfernte elektronische Geräte aus ihrem Schlafzimmer und beschränkte die Nutzung des Bettes auf zwei Aktivitäten, von denen eine das Schlafen sein sollte. In der Zwischenzeit übernahm die Schauspielerin Noma Dumezweni für die geplante Premiere von Skinners Stück im Dezember 2015 die Rolle und erntete viel Beifall und Aufmerksamkeit. In der BBC Women’s Hour erzählte Cattrall von ihrer Schlaflosigkeit und wie sie sie in den Griff bekommen hat. Im selben Jahr kehrte Cattrall als Gastredakteurin zur BBC Women’s Hour zurück und diskutierte über „Choosing to Be Child Free“ und „Being a Parent Without Giving Birth“, was kontroverse Reaktionen und Meinungen hervorrief. 2015 war sie auch in dem SkyArts-Kurzfilm „Ruby Robinson“ zu sehen, einer physischen Komödie, in der Cattrall die Hauptrolle der Ruby spielt, einer Frau, die mit einer Truppe ungewöhnlicher Akrobatenhelfer zusammenlebt und von ihrem Neffen eine wertvolle Lektion erteilt bekommt.

Catrall nahm an BBC Arts‘ I’m with the Banned teil, dem Flaggschiff der Feierlichkeiten zum zehnjährigen Bestehen des Belarus Free Theatre (BFT). Das Konzert wurde von The Space in Auftrag gegeben, fand im Londoner KOKO statt und wurde weltweit ausgestrahlt. Das radikale Untergrundtheater BFT brachte eine einzigartige Besetzung von Musikern und Performern zusammen, um für künstlerische Meinungsfreiheit und gegen Ungerechtigkeit einzutreten.

2016 spielte Cattrall die Hauptrolle in der BBC-Miniserie The Witness for the Prosecution, die auf der Kurzgeschichte von Agatha Christie basiert. Die gefeierte zweiteilige Miniserie wurde 2017 für einen BAFTA-Award als „Beste Miniserie“ nominiert. 2017 stieß Cattrall auch zur Besetzung der erfolgreichen schwedischen TV-Show Modus, in der sie die Präsidentin der Vereinigten Staaten spielt. Modus wurde 2015 erstmals in Schweden ausgestrahlt und wurde später von BBC Four in Großbritannien ausgestrahlt. Die Show wird auch in Kanada, Australien, Frankreich und Japan ausgestrahlt und wird von FremantleMedia International betreut.

Im Jahr 2020 kehrte Cattrall in dem Fox-Drama Filthy Rich ins Fernsehen zurück, wo sie Margaret Monreaux spielte, die Matriarchin einer Südstaaten-Familie, die mega-reich und berühmt geworden ist, weil sie ein äußerst erfolgreiches christliches Fernseh-Netzwerk gegründet hat. Nachdem ihr Mann bei einem Flugzeugabsturz ums Leben gekommen ist, müssen Margaret und ihre Familie fassungslos feststellen, dass er drei uneheliche Kinder gezeugt hat, die alle in sein Testament aufgenommen wurden – was den Namen und das Vermögen der Familie bedroht. Cattrall war auch als Produzentin an der Serie beteiligt. Cattrall wurde auf dem Fernsehfestival 2020 in Atlanta mit dem Icon Award für die Serie geehrt.