Cattrall a commencé sa carrière après avoir obtenu son diplôme de l’école secondaire Georges P. Vanier en 1972, année où elle a quitté le Canada pour New York. Là, elle a fréquenté l’American Academy of Dramatic Arts et, à sa sortie, a signé un contrat de cinq ans avec le réalisateur Otto Preminger. Elle fait ses débuts au cinéma dans le thriller d’action Rosebud (1975) de Preminger. Un an plus tard, Universal Studios rachète ce contrat et Cattrall devient l’un des derniers participants au système de joueurs sous contrat d’Universal (également référencé comme MCA/Universal pendant cette période) avant que le système ne prenne fin en 1980. La représentante du système Universal à New York, Eleanor Kilgallen (sœur de Dorothy Kilgallen), a fait jouer à Cattrall de nombreux rôles de guest-star à la télévision. L’un des premiers emplois que Kilgallen lui a obtenus était dans un épisode de Quincy, M.E. en 1977, avec Jack Klugman, que Kilgallen représentait également.

En 1978, Cattrall a joué l’intérêt amoureux d’un psychologue meurtrier dans un épisode de Columbo et aussi dans « Blindfold », un épisode de la série d’action des années 1970 Starsky & Hutch, dans lequel Starsky (joué par Paul Michael Glaser) a du chagrin depuis qu’il a accidentellement rendu aveugle le personnage de Cattrall, la jeune artiste Emily Harrison, par un tir de son arme. Elle a joué dans The Bastard (1978) et The Rebels (1979), deux mini-séries télévisées basées sur les romans éponymes de John Jakes. En 1979, elle joue le rôle du Dr Gabrielle White dans The Incredible Hulk et restera dans les annales télévisées de Hulk comme l’un des rares personnages à savoir que David Banner (alter ego du personnage titre) était vivant et était la créature. Son travail à la télévision a porté ses fruits et elle a rapidement fait la transition vers le cinéma. Elle joue aux côtés de Jack Lemmon dans son film Tribute (1980), nommé aux Oscars, et dans Crossbar, le film sur un sauteur en hauteur qui perd sa jambe et participe quand même aux essais olympiques, avec l’aide de Cattrall. L’année suivante, elle apparaît dans Ticket to Heaven.

En 1982, Cattrall joue le rôle de Miss Honeywell, professeur d’éducation physique, dans Porky’s, suivi deux ans plus tard par un rôle dans l’original Police Academy. En 1985, elle joue dans trois films : Turk 182, City Limits et Hold-Up, ce dernier avec la star française Jean-Paul Belmondo. En 1986, elle incarne la flamme cérébrale de Kurt Russell dans le film d’action Big Trouble in Little China. En 1987, son rôle principal dans la comédie culte Mannequin remporte un grand succès auprès du public. L’un de ses rôles cinématographiques les plus connus est celui du lieutenant Valeris dans Star Trek VI : The Undiscovered Country ; Cattrall a participé au développement du personnage en concevant sa propre coiffure et a même aidé à trouver le nom.

A côté de son travail au cinéma, Cattrall est également une actrice de théâtre, avec des performances dans A View from the Bridge d’Arthur Miller et Three Sisters et Wild Honey d’Anton Tchekhov à son actif. En outre, on peut l’entendre lire la poésie de Rupert Brooke sur le CD Red Rose Music SACD Sampler Volume One. En 1997, elle a été choisie pour jouer dans Sex and the City, la série de Darren Star diffusée sur HBO. Dans le rôle de Samantha Jones, Cattrall acquiert une reconnaissance internationale. Elle a capitalisé sur son succès en apparaissant dans des publicités télévisées torrides pour la promotion de Pepsi One. Sex and the City a duré six saisons et s’est terminée en tant que série hebdomadaire au printemps 2004 avec 10,6 millions de téléspectateurs. Cattrall a repris le rôle de Samantha Jones dans le film Sex and the City, sorti le 30 mai 2008. Elle est également apparue dans la suite du film, sortie en mai 2010. Pour son rôle dans la série télévisée, elle a été nominée pour cinq Emmy Awards et quatre Golden Globe Awards, dont un en 2002. Elle a également remporté deux Screen Actors Guild Awards, partagés avec ses co-stars Sarah Jessica Parker, Kristin Davis et Cynthia Nixon. Elle a été classée huitième dans la liste des 50 stars les plus sexy de tous les temps du TV Guide en 2005. En 2008, elle a été récompensée par le Cosmopolitan UK Ultimate Women Of The Year Awards avec le Ultimate Icon Award pour son rôle de « Samantha » dans la série à succès. Elle a également reçu le prix de distinction de NBC Universal Canada au 2008 Banff World TV Festival.

Cattrall en 2007

En 2005, elle apparaît dans le film Disney Ice Princess, dans lequel elle joue le rôle de Tina Harwood, entraîneur de patinage sur glace du personnage principal du film. Elle a joué le rôle de Claire, une femme paralysée qui veut mourir, dans la reprise de Whose Life Is It Anyway, un drame du West End. Cette année-là, elle a été récompensée par le magazine Glamour dans le cadre des « Woman of the Year Awards » pour l’actrice de théâtre. En octobre 2006, elle a fait l’objet de critiques élogieuses dans une production West End de The Cryptogram de David Mamet au Donmar Warehouse de Londres. Depuis fin 2005, elle est apparue dans plusieurs publicités télévisées britanniques pour Tetley Tea. En juillet 2006, une publicité pour les voitures Nissan, dans laquelle Cattrall jouait le rôle de Samantha Jones, a été retirée de la télévision néo-zélandaise, apparemment en raison de plaintes concernant ses insinuations. Elle a ensuite joué aux côtés de Brendan Gleeson dans le film de John Boorman The Tiger’s Tail (2006), une comédie noire qui traite de l’impact de l’économie du Tigre celtique sur les Irlandais. Sur ITV, elle a joué aux côtés de David Haig, Daniel Radcliffe et Carey Mulligan dans My Boy Jack, l’histoire de l’auteur Rudyard Kipling à la recherche de son fils perdu pendant la Première Guerre mondiale

En 2009, Cattrall a joué le rôle d’Amelia Bly dans le film The Ghost Writer de Roman Polanski, qui a reçu un accueil favorable, et a interprété le personnage de Dee dans la sitcom canadienne animée pour adultes Producing Parker, cette dernière, pour laquelle elle a reçu un Gemini de la meilleure performance dans un programme ou une série animée en 2010. Plus tard en 2009, il a été annoncé que Cattrall recevrait une étoile sur le Canada’s Walk of Fame à Toronto, Ontario. La cérémonie d’intronisation a eu lieu le 12 septembre 2009. En novembre 2009, pendant le tournage de Sex and the City 2 à Marrakech, au Maroc, elle a participé à un séminaire intitulé « Being directed » avec le réalisateur John Boorman dans le cadre de la troisième édition du festival Arts in Marrakech. Le 24 février 2010, Cattrall a commencé à jouer dans le West End de Londres, au Vaudeville Theatre, dans le rôle principal d’Amanda, face à Matthew Macfadyen, dans une reprise de la pièce Private Lives de Noël Coward. Elle s’est produite jusqu’au 3 mai 2010 et a reçu une nomination à la revue Whats on Stage 2011 dans la catégorie « Meilleure actrice ». La même année, Cattrall a joué le rôle de Gloria Scabius (aux côtés de Macfadyen à nouveau) dans l’adaptation par Channel 4 du roman Any Human Heart de William Boyd, saluée par la critique.

Cattrall a joué Cléopâtre dans une production d’Antony and Cleopatra, mise en scène par Janet Suzman, aux côtés de Jeffery Kissoon dans le rôle d’Anthony, à Liverpool au Playhouse en octobre 2010, avec une reprise ultérieure au Chichester Festival Theatre (avec Michael Pennington dans le rôle d’Anthony) en septembre 2012. En 2010, Cattrall a été nommée membre honoraire de la Liverpool John Moores University en reconnaissance de ses contributions aux arts dramatiques. En 2011, Cattrall a repris son rôle d’Amanda dans une production de Private Lives de Noël Coward, aux côtés de l’acteur canadien Paul Gross, à Toronto et à Broadway. Le critique de théâtre du New York Times a salué la performance de Mme Cattrall, qui a été nommée pour un Drama League Award. Cette année-là, Cattrall a également joué dans Uptown Downstairs Abbey, la parodie de Comic Relief des séries télévisées historiques Downton Abbey et Upstairs, Downstairs, acclamées par la critique. Jouant le rôle de Lady Grantham, elle a joué aux côtés de Jennifer Saunders, Joanna Lumley, Victoria Wood, Harry Enfield, Patrick Barlow, Dale Winton, Olivia Colman, Tim Vine, Simon Callow, Michael Gambon et Harry Hill.

De juin à août 2013, Cattrall devait jouer dans la production de l’Old Vic de Sweet Bird of Youth de Tennessee Williams, mise en scène par Marianne Elliott, lauréate d’un Olivier Award. En 2014, elle a joué et produit exécutif la peau sensible de HBO Canada et adaptation pop la série britannique de 2005. En 2015, la série a été nominée pour un International Emmy Award. La série a été nominée pour de nombreux Canadian Screen Awards et Cattrall a reçu une nomination en 2017 pour son rôle de Davina Jackson dans la série. La série est désormais disponible en streaming sur Netflix.

Le 17 juillet 2015, Cattrall a été choisie pour le rôle-titre de Linda dans une nouvelle pièce de Penelope Skinner, qui devait être mise en scène par Michael Longhurst et produite au Royal Court Theatre de Londres. Elle est contrainte d’abandonner cette production quelques jours avant la première, en raison d’une « insomnie chronique et débilitante ». Elle retourne à New York et entame un programme de thérapie cognitivo-comportementale pour s’entraîner à mieux dormir. La thérapie a porté ses fruits ; elle a notamment développé certains rituels du soir, retiré les appareils électroniques de sa chambre et limité l’utilisation du lit à deux activités, dont l’une serait le sommeil. Entre-temps, pour la première prévue en décembre 2015 de la pièce de Skinner, l’actrice Noma Dumezweni a repris le rôle, sous les acclamations et la publicité. Cattrall s’est ouverte à l’émission BBC Women’s Hour sur son parcours d’insomnie et sur la façon dont elle a pu la gérer. Cattrall est ensuite revenue cette année-là pour être l’invitée de l’émission Women’s Hour de la BBC pour discuter de « Choosing to Be Child Free » et « Being a Parent Without Giving Birth », ce qui a suscité des réactions et des opinions controversées. On l’a également vue en 2015 dans le court-métrage Ruby Robinson de SkyArts, une comédie physique où Cattrall joue le rôle de Ruby, une femme vivant avec une troupe d’aides-acrobates inhabituels, qui reçoit une leçon précieuse de son neveu.

Catrall a participé au spectacle I’m with the Banned de BBC Arts, l’événement phare des célébrations du dixième anniversaire du Belarus Free Theatre (BFT). Commandé par The Space, le concert a eu lieu au KOKO de Londres et a été diffusé dans le monde entier. La compagnie underground radicale BFT a réuni une brochette unique de musiciens et d’interprètes pour défendre la liberté d’expression artistique et contre l’injustice.

En 2016, Cattrall a joué dans la mini-série de la BBC Le témoin à charge, basée sur la nouvelle d’Agatha Christie. La célèbre mini-série en deux parties a été nominée pour le prix BAFTA 2017 de la « meilleure mini-série ». En 2017, Cattrall a également rejoint le casting de l’émission de télévision suédoise à succès Modus, en jouant le président des États-Unis. Modus a été diffusé pour la première fois en Suède en 2015 et a ensuite été diffusé par BBC Four au Royaume-Uni. L’émission est également diffusée au Canada, en Australie, en France et au Japon et est prise en charge par FremantleMedia International.

En 2020, Cattrall est revenue à la télévision dans le drame Filthy Rich de la Fox, où elle a joué Margaret Monreaux, la matriarche d’une famille du Sud devenue méga-riche et célèbre pour avoir créé un réseau de télévision chrétien à succès. Après la mort de son mari dans un accident d’avion, Margaret et sa famille sont stupéfaits d’apprendre qu’il a engendré trois enfants illégitimes, qui sont tous inscrits dans son testament – menaçant leur nom de famille et leur fortune. Cattrall a également été productrice de la série. Cattrall a été honorée lors du festival de télévision d’Atlanta 2020 avec le prix Icon Award pour la série.