Cattrall aloitti uransa valmistuttuaan Georges P. Vanier Secondary Schoolista vuonna 1972, jolloin hän lähti Kanadasta New Yorkiin. Siellä hän kävi American Academy of Dramatic Artsin ja allekirjoitti valmistuttuaan viisivuotisen elokuvasopimuksen ohjaaja Otto Premingerin kanssa. Hän teki elokuvadebyyttinsä Premingerin toimintatrillerissä Rosebud (1975). Vuotta myöhemmin Universal Studios osti tuon sopimuksen pois, ja Cattrallista tuli yksi viimeisistä Universalin (johon viitattiin tuona aikana myös nimellä MCA/Universal) sopimussoittajajärjestelmään osallistuneista, ennen kuin järjestelmä päättyi vuonna 1980. Universalin järjestelmän edustaja New Yorkissa, Eleanor Kilgallen (Dorothy Kilgallenin sisar), valoi Cattrallin lukuisiin televisiovierailijarooleihin. Yksi ensimmäisistä työpaikoista, jotka Kilgallen hankki hänelle, oli vuoden 1977 jakso Quincy, M.E. -sarjassa, jonka pääosassa oli Jack Klugman, jota Kilgallen myös edusti.

Vuonna 1978 Cattrall näytteli murhanhimoisen psykologin rakkaudenosaa Columbo-sarjan jaksossa ja myös 1970-luvun toimintasarjan Starsky & Hutchin jaksossa ”Blindfold”, jossa Starsky (näyttelijänä Paul Michael Glaser) on surun murtama, koska hän vahingossa sokeutti Cattrallin hahmon, nuoren kuvataiteilijan Emily Harrisonin, aseensa laukauksella. Hän näytteli The Bastardissa (1978) ja The Rebelsissä (1979), kahdessa tv-minisarjassa, jotka perustuvat John Jakesin samannimisiin romaaneihin. Vuonna 1979 hän näytteli tohtori Gabrielle Whiten roolia The Incredible Hulk -sarjassa, ja hän jäi televisio-Hulkin historiaan yhtenä niistä harvoista hahmoista, jotka tiesivät, että David Banner (nimihenkilön alter ego) oli elossa ja oli olento. Hänen työnsä televisiossa kannatti, ja hän siirtyi nopeasti elokuviin. Hän näytteli Jack Lemmonin vastapuolella tämän Oscar-ehdokkaana olleessa elokuvassa Tribute (1980) ja elokuvassa Crossbar, joka kertoo korkeushyppääjästä, joka menettää jalkansa ja osallistuu silti Cattrallin avustuksella olympiakokeisiin. Seuraavana vuonna hän esiintyi elokuvassa Ticket to Heaven.

Vuonna 1982 Cattrall näytteli liikunnanopettaja neiti Honeywelliä elokuvassa Porky’s, jota seurasi kaksi vuotta myöhemmin rooli alkuperäisessä Poliisiopistossa. Vuonna 1985 hän näytteli kolmessa elokuvassa: Turk 182, City Limits ja Hold-Up, viimeisessä ranskalaistähti Jean-Paul Belmondon kanssa. Vuonna 1986 hän näytteli Kurt Russellin älykästä liekkiä toimintaelokuvassa Big Trouble in Little China. Vuonna 1987 hänen pääroolinsa kulttikomediassa Mannequin oli suuri yleisömenestys. Yksi hänen tunnetuimmista elokuvarooleistaan on luutnantti Valeris elokuvassa Star Trek VI: The Undiscovered Country; Cattrall auttoi hahmon kehittämisessä suunnittelemalla oman kampauksensa ja jopa auttoi nimen keksimisessä.

Filmatisointiensa ohella Cattrall on myös näyttelijä, ja hän on näytellyt Arthur Millerin teoksessa Näkymä sillalta sekä Anton Tšehovin teoksissa Kolme sisarta ja Villihunaja. Lisäksi häntä voi kuulla lukemassa Rupert Brooken runoja CD-levyllä Red Rose Music SACD Sampler Volume One. Vuonna 1997 hän näytteli Darren Starin Sex and the City -sarjassa, joka esitettiin HBO:lla. Samantha Jonesina Cattrall sai kansainvälistä tunnustusta. Hän hyödynsi menestystään esiintymällä Pepsi Onea mainostavissa höyryävissä televisiomainoksissa. Sex and the City kesti kuusi tuotantokautta ja päättyi viikkosarjana keväällä 2004 10,6 miljoonan katsojan katsojamäärään. Cattrall näytteli uudelleen Samantha Jonesin roolin 30. toukokuuta 2008 julkaistussa Sex and the City -elokuvassa. Hän esiintyi myös toukokuussa 2010 julkaistussa jatko-osassa. Televisiosarjassa tekemästään roolista hän oli ehdolla viideksi Emmy-palkinnoksi ja neljäksi Golden Globe -palkinnoksi, joista hän voitti yhden vuonna 2002. Hän voitti myös kaksi Screen Actors Guild Awards -palkintoa, jotka jaettiin hänen näyttelijätovereidensa Sarah Jessica Parkerin, Kristin Davisin ja Cynthia Nixonin kanssa. Hän sijoittui kahdeksanneksi TV Guide -lehden 50 kaikkien aikojen seksikkäintä tähteä -listalla vuonna 2005. Vuonna 2008 hänet palkittiin Cosmopolitan UK Ultimate Women Of The Year Awards -gaalassa Ultimate Icon Award -palkinnolla roolistaan hittisarjan Samanthana. Hänet palkittiin myös NBC Universal Canada Award of Distinction -palkinnolla Banff World TV Festivalilla vuonna 2008.

Cattrall vuonna 2007

Vuonna 2005 hän esiintyi Disney-elokuvassa Jääprinsessa, jossa hän esitti elokuvan päähenkilön luisteluvalmentajaa Tina Harwoodia. Hän näytteli Clairea, halvaantunutta naista, joka haluaa kuolla, West Endin draaman Whose Life Is It Anyway? uusintaversiossa. Glamour Magazine palkitsi hänet samana vuonna ”Woman of the Year Awards” -palkinnolla teatterinäyttelijättärenä. Lokakuussa 2006 hän esiintyi Lontoon Donmar Warehousessa David Mametin The Cryptogram -näytelmän West End -tuotannossa ja sai ylistäviä arvioita. Vuoden 2005 lopusta lähtien hän on esiintynyt useissa brittiläisissä Tetley Tea -teemainoksissa. Heinäkuussa 2006 Nissanin autojen mainos, jossa Cattrall esiintyi Samantha Jonesina, vedettiin pois Uuden-Seelannin televisiosta ilmeisesti sen vihjailua koskevien valitusten vuoksi. Myöhemmin hän näytteli Brendan Gleesonin rinnalla John Boormanin elokuvassa The Tiger’s Tail (2006), mustassa komediassa, joka käsittelee Kelttien tiikerin talouden vaikutusta irlantilaisiin. ITV:llä hän näytteli David Haigin, Daniel Radcliffen ja Carey Mulliganin rinnalla elokuvassa My Boy Jack, joka kertoo kirjailija Rudyard Kiplingin etsinnöistä ensimmäisessä maailmansodassa kadonneen poikansa löytämiseksi

Vuonna 2009 Cattrall näytteli Amelia Blya Roman Polanskin hyvin vastaanotetussa elokuvassa Aavekirjoittaja (The Ghost Writer) ja ääninäytteli hahmo Deetä kanadalaisessa aikuisten animaatio-oheisjakelusarjassa Tuottava Parker, jälkimmäisestä elokuvasta hänet palkittiin vuonna 2010 parhaasta esityksestä animaatio-ohjelmassa tai -ohjelmasarjassa saadulla Gemini-mitalilla. Myöhemmin vuonna 2009 ilmoitettiin, että Cattrall saisi tähden Kanadan Walk of Famelle Torontossa, Ontariossa. Induktioseremonia pidettiin 12. syyskuuta 2009. Marraskuussa 2009, kun hän kuvasi Sinkkuelämää 2:sta Marrakechissa, Marokossa, hän osallistui seminaariin ”Ohjattavana oleminen” ohjaaja John Boormanin kanssa osana kolmatta painosta Arts in Marrakech -festivaalia. Helmikuun 24. päivänä 2010 Cattrall aloitti Lontoon West Endissä Vaudeville-teatterissa Matthew Macfadyenin vastapuolella olevan Amandan roolissa Noël Cowardin näytelmän Private Lives elvyttämisessä. Hän esiintyi 3. toukokuuta 2010 asti ja sai vuonna 2011 Whats on Stage -ehdokkuuden ”parhaasta naispääosasta”. Samana vuonna Cattrall näytteli Gloria Scabiusta (jälleen Macfadyenin rinnalla) kriitikoiden ylistämässä Channel 4:n sovituksessa William Boydin romaanista Any Human Heart.

Cattrall näytteli Cleopatraa Janet Suzmanin ohjaamassa Antonius ja Cleopatra -näytelmän tuotannossa, vastapäätä Jeffery Kissoonia Antoniuksen roolissa, Liverpooli Playhousen näytelmässä lokakuussa 2010, jota seurasi uusintaesitys Chichesterin festivaaliteatterissa syyskuussa 2012 (Michael Penningtonin ollessa Antoniuksen roolissa). Vuonna 2010 Cattrall nimitettiin Liverpool John Mooresin yliopiston kunniatohtoriksi tunnustuksena hänen panoksestaan näyttämötaiteeseen. Vuonna 2011 Cattrall esitti Amandan roolinsa uudelleen Noël Cowardin Private Lives -teoksen tuotannossa kanadalaisen näyttelijän Paul Grossin vastapuolella Torontossa ja Broadwaylla. New York Timesin teatterikriitikko kehui Cattrallin esitystä, ja hän sai Drama League Award -ehdokkuuden. Samana vuonna Cattrall esiintyi myös elokuvassa Uptown Downstairs Abbey, Comic Relief -parodia kriitikoiden ylistämistä historiallisista tv-draamoista Downton Abbey ja Upstairs, Downstairs. Lady Granthamin roolissa hän näytteli Jennifer Saundersin, Joanna Lumleyn, Victoria Woodin, Harry Enfieldin, Patrick Barlow’n, Dale Wintonin, Olivia Colmanin, Tim Vinen, Simon Callow’n, Michael Gambonin ja Harry Hillin rinnalla.

Kesäkuusta elokuuhun 2013 Cattrallin oli määrä tähdittää Vanhan Vicin tuotantoa Tennessee Williamsin Nuoruuden kiltti lintu (Sweet Bird of Youth), jonka oli ohjannut Olivier-palkittu Marianne Elliott. Vuonna 2014 hän näytteli ja tuotti HBO:n Kanadan Sensitive Skinin ja vuoden 2005 brittisarjan pop-sovituksen. Vuonna 2015 sarja oli ehdolla kansainvälisen Emmy-palkinnon saajaksi. Sarja oli ehdolla lukuisiin Kanadan Screen Awards -palkintoihin, ja Cattrall sai ehdokkuuden vuonna 2017 Davina Jacksonin roolistaan sarjassa. Sarja on nyt katsottavissa suoratoistopalveluna Netflixissä.

17. heinäkuuta 2015 Cattrall valittiin Lindan nimirooliin Penelope Skinnerin uudessa näytelmässä, jonka ohjaa Michael Longhurst ja joka tuotetaan Lontoon Royal Court -teatterissa. Hän joutui jättäytymään pois kyseisestä tuotannosta muutama päivä ennen ensi-iltaa ”kroonisen, heikentävän unettomuuden” vuoksi. Hän palasi New Yorkiin ja aloitti kognitiivisen käyttäytymisterapian ohjelman kouluttaakseen itsensä nukkumaan paremmin. Terapia oli menestyksekästä; siihen kuului tiettyjen iltarituaalien kehittäminen, elektronisten laitteiden poistaminen makuuhuoneesta ja sängyn käytön rajoittaminen kahteen toimintoon, joista toinen olisi nukkuminen. Sillä välin Skinnerin näytelmän joulukuulle 2015 suunniteltua ensi-iltaa varten näyttelijä Noma Dumezweni otti roolin haltuunsa suuren suosion ja julkisuuden saattelemana. Cattrall avautui BBC:n Women’s Hour -ohjelmassa unettomuusmatkastaan ja siitä, miten hän pystyi selviytymään siitä. Cattrall palasi myöhemmin samana vuonna BBC:n Women’s Hour -ohjelman vierailevaksi toimittajaksi keskustelemaan aiheista ”Choosing to Be Child Free” (Valitsemalla olla lapseton) ja ”Being a Parent Without Giving Birth” (Vanhempana oleminen synnyttämättä), jotka herättivät kiistanalaisia reaktioita ja mielipiteitä. Hänet nähtiin vuonna 2015 myös SkyArtsin lyhytelokuvassa Ruby Robinson, fyysisessä komediassa, jossa Cattrall näytteli Rubya, epätavallisen akrobaattiavustajaryhmän kanssa asuvaa naista, jolle hänen veljenpoikansa antaa arvokkaan opetuksen.

Catrall osallistui BBC Artsin I’m with the Banned -esitykseen, joka oli Valko-Venäjän vapaan teatterin (BFT) kymmenvuotisjuhlien lippulaiva. The Spacen tilaama konsertti järjestettiin Lontoon KOKOssa ja lähetettiin maailmanlaajuisesti. Radikaali underground-yhtiö BFT kokosi yhteen ainutlaatuisen kokoonpanon muusikoita ja esiintyjiä puolustamaan taiteellista sananvapautta ja vastustamaan epäoikeudenmukaisuutta.

Vuonna 2016 Cattrall näytteli Agatha Christien novelliin perustuvassa BBC:n minisarjassa The Witness for the Prosecution. Juhlittu kaksiosainen minisarja oli ehdolla vuoden 2017 BAFTA-palkinnon saajaksi kategoriassa ”Paras minisarja”. Vuonna 2017 Cattrall liittyi myös ruotsalaisen menestyssarjan Modus näyttelijöihin näyttelemällä Yhdysvaltain presidenttiä. Modus esitettiin ensimmäisen kerran Ruotsissa vuonna 2015, ja BBC Four esitti sen myöhemmin Isossa-Britanniassa. Ohjelmaa esitetään myös Kanadassa, Australiassa, Ranskassa ja Japanissa, ja siitä vastaa FremantleMedia International.

Vuonna 2020 Cattrall palasi televisioon Foxin draamassa Filthy Rich, jossa hän näytteli Margaret Monreaux’ta, etelävaltiolaisen, megarikkaaksi tulleen perheen matriarkkaa, joka on tullut tunnetuksi luomalla erittäin menestyksekkään kristillisen televisioverkon. Kun hänen miehensä kuolee lento-onnettomuudessa, Margaret ja perhe saavat järkyttyneinä kuulla, että mies oli isä kolmelle aviottomalle lapselle, jotka kaikki on kirjattu hänen testamenttiinsa – mikä uhkaa heidän perheensä nimeä ja omaisuutta. Cattrall toimi sarjassa myös tuottajana. Cattrall palkittiin vuoden 2020 Atlantan tv-festivaaleilla Icon-palkinnolla sarjasta.