Cattrall a Georges P. Vanier Secondary School elvégzése után kezdte karrierjét, amikor 1972-ben elhagyta Kanadát és New Yorkba ment. Ott az Amerikai Színművészeti Akadémiára járt, és a diploma megszerzése után ötéves filmszerződést kötött Otto Preminger rendezővel. Preminger Rózsabimbó című akcióthrillerében (1975) debütált a filmvásznon. Egy évvel később a Universal Studios kivásárolta ezt a szerződést, és Cattrall az Universal (ebben az időszakban MCA/Universal néven is hivatkoztak rá) szerződéses játékos rendszerének egyik utolsó résztvevője lett, mielőtt a rendszer 1980-ban megszűnt. A Universal rendszer New York-i képviselője, Eleanor Kilgallen (Dorothy Kilgallen nővére) számos televíziós vendégszerepet adott Cattrallnak. Az egyik első munka, amit Kilgallen szerzett neki, a Quincy, M.E. egyik 1977-es epizódjában szerepelt Jack Klugman főszereplésével, akit szintén Kilgallen képviselt.

1978-ban Cattrall egy gyilkos pszichológus szerelmét játszotta a Columbo egyik epizódjában, valamint a “Blindfold” című epizódban, a Starsky & Hutch című 1970-es évekbeli akciósorozat egyik epizódjában, amelyben Starsky (akit Paul Michael Glaser alakított) gyászol, mivel véletlenül megvakította Cattrall karakterét, a fiatal művésznő Emily Harrisont egy pisztolylövéssel. Szerepelt A fattyú (1978) és A lázadók (1979) című két televíziós minisorozatban, amelyek John Jakes azonos című regényei alapján készültek. 1979-ben Dr. Gabrielle White szerepét játszotta A hihetetlen Hulkban, és úgy vonult be a televíziós Hulk-történelembe, mint azon kevés szereplők egyike, akik tudták, hogy David Banner (a címszereplő alteregója) él és ő a lény. A tévében végzett munkája kifizetődött, és gyorsan átment a moziba. Jack Lemmon oldalán játszott az Oscar-díjra jelölt Tribute (1980) című filmben, valamint a Crossbar című filmben, amely egy magasugróról szól, aki elveszíti a lábát, de Cattrall segítségével mégis részt vesz az olimpiai válogatón. A következő évben feltűnt a Ticket to Heaven című filmben.

1982-ben Cattrall játszotta Miss Honeywell testnevelő tanárt a Porky’s-ban, majd két évvel később szerepet kapott az eredeti Police Academy-ben. 1985-ben három filmben is szerepelt: Turk 182, City Limits és Hold-Up, az utóbbiban a francia sztárral, Jean-Paul Belmondóval. 1986-ban Kurt Russell agyafúrt lángját alakította a Big Trouble in Little China című akciófilmben. 1987-ben a Mannequin című kultikus vígjáték főszerepe hatalmas sikert aratott a közönség körében. Egyik legismertebb filmszerepe Valeris hadnagy szerepe a Star Trek VI: A felfedezetlen ország című filmben; Cattrall a saját frizurájának megtervezésével segített a karakter kidolgozásában, és még a név kitalálásában is közreműködött.

A filmes munkái mellett Cattrall színpadi színésznő is: Arthur Miller A View from the Bridge című darabjában, valamint Anton Csehov Három nővér és Vadméz című műveiben is játszott. Emellett a Red Rose Music SACD Sampler Volume One című CD-jén Rupert Brooke verseit olvassa fel. 1997-ben szerepet kapott a Szex és New Yorkban, Darren Star sorozatában, amelyet az HBO sugárzott. Samantha Jones szerepében Cattrall nemzetközi elismerést szerzett. Sikerét azzal kamatoztatta, hogy szerepelt a Pepsi One-t népszerűsítő gőzölgő televíziós reklámokban. A Szex és New York hat évadon át futott, és 2004 tavaszán 10,6 millió nézővel ért véget mint heti sorozat. Cattrall újra eljátszotta Samantha Jones szerepét a 2008. május 30-án bemutatott Szex és New York-filmben. A 2010 májusában megjelent folytatásban is szerepelt. A tévésorozatban nyújtott szerepéért öt Emmy-díjra és négy Golden Globe-díjra jelölték, 2002-ben egyet meg is nyert. Két Screen Actors Guild-díjat is elnyert, megosztva a színésztársaival, Sarah Jessica Parkerrel, Kristin Davisszel és Cynthia Nixonnal. 2005-ben a TV Guide minden idők 50 legszexibb sztárjának listáján a nyolcadik helyen szerepelt. 2008-ban a Cosmopolitan UK Ultimate Women Of The Year Awardson az Ultimate Icon Awarddal tüntették ki a sikersorozatban Samanthaként játszott szerepéért. A 2008-as Banff World TV Festivalon elnyerte az NBC Universal Canada Award of Distinction díját is.

Cattrall 2007-ben

2005-ben szerepelt a Jéghercegnő című Disney-filmben, amelyben Tina Harwoodot, a film főszereplőjének korcsolyaedzőjét alakította. Ő alakította Claire-t, egy béna nőt, aki meg akar halni, a Whose Life Is It Anyway? című West End dráma felújításában. Ebben az évben a Glamour magazin kitüntette a “Woman of the Year Awards” színházi színésznőnek járó díjjal. 2006 októberében a londoni Donmar Warehouse-ban David Mamet The Cryptogram című művének West End-előadásában lépett fel, és lelkes kritikákat kapott. 2005 vége óta számos brit televíziós reklámban szerepelt a Tetley Tea számára. 2006 júliusában a Nissan autók reklámját, amelyben Cattrall Samantha Jones szerepében szerepelt, visszavonták az új-zélandi televízióból, nyilvánvalóan a célozgatással kapcsolatos panaszok miatt. Később szerepelt Brendan Gleeson oldalán John Boorman The Tiger’s Tail (2006) című filmjében, egy fekete komédiában, amely a Kelta Tigris gazdaságának az írekre gyakorolt hatásáról szól. Az ITV-n David Haig, Daniel Radcliffe és Carey Mulligan mellett szerepelt a My Boy Jack című filmben, amely Rudyard Kipling írónak az első világháborúban elveszett fia kereséséről szól

2009-ben Cattrall játszotta Amelia Bly-t Roman Polanski jól sikerült The Ghost Writer című filmjében, és ő adta Dee karakterének a hangját a kanadai felnőtt animációs sitcomban, a Producing Parkerben, ez utóbbiért 2010-ben elnyerte a legjobb animációs műsorban vagy sorozatban nyújtott teljesítményért járó Geminit. Később, 2009-ben bejelentették, hogy Cattrall csillagot kap a kanadai Hírességek sétányán az Ontario állambeli Torontóban. Az avatási ceremóniára 2009. szeptember 12-én került sor. 2009 novemberében a Szex és New York 2 forgatása közben a marokkói Marrakechben részt vett egy szemináriumon, “Rendezőnek lenni” címmel John Boorman rendezővel a harmadik Arts in Marrakech fesztivál részeként. 2010. február 24-én Cattrall a londoni West Enden kezdte meg szereplését a Vaudeville Theatre-ben, mint Amanda, Matthew Macfadyen főszereplője, Noël Coward Private Lives című darabjának felújításában. 2010. május 3-ig játszott, és 2011-ben Whats on Stage jelölést kapott a “Legjobb színésznő” kategóriában. Ugyanebben az évben Cattrall játszotta Gloria Scabius szerepét (ismét Macfadyen mellett) William Boyd Bármely emberi szív című regényének kritikusok által elismert Channel 4 adaptációjában.

Cattrall játszotta Kleopátrát az Antonius és Kleopátra Janet Suzman rendezte előadásában, Jeffery Kissoon mint Anthonyval szemben, Liverpoolban a Playhouse-ban 2010 októberében, majd 2012 szeptemberében felújították a Chichester Festival Theatre-ben (Michael Pennington mint Anthonyval). 2010-ben Cattrallt a Liverpool John Moores University tiszteletbeli tagjává nevezték ki a drámai művészetekhez való hozzájárulása elismeréseként. 2011-ben Cattrall újra eljátszotta Amanda szerepét Noël Coward Private Lives című darabjában, Paul Gross kanadai színésszel szemben Torontóban és a Broadwayn. A New York Times színházi kritikusa elismerően nyilatkozott Cattrall alakításáról, és Cattrallt Drama League Award-díjra jelölték. Ebben az évben Cattrall szerepelt a Downton Abbey és az Upstairs, Downstairs, Downstairs című, a kritikusok által elismert történelmi televíziós drámák Comic Relief-paródiájában, az Uptown Downstairs Abbey-ben is. Lady Grantham szerepében Jennifer Saunders, Joanna Lumley, Victoria Wood, Harry Enfield, Patrick Barlow, Dale Winton, Olivia Colman, Tim Vine, Simon Callow, Michael Gambon és Harry Hill mellett játszott.

Cattrall 2013 júniusától augusztusáig szerepelt az Old Vic színház Tennessee Williams Sweet Bird of Youth című előadásában, amelyet az Olivier-díjas Marianne Elliott rendezett. 2014-ben főszereplője és executive producere volt az HBO kanadai Sensitive Skin és a 2005-ös brit sorozat pop adaptációjának. A sorozatot 2015-ben nemzetközi Emmy-díjra jelölték. A sorozatot számos kanadai képernyődíjra jelölték, Cattrall 2017-ben Davina Jackson szerepéért kapott jelölést a sorozatban. A sorozat jelenleg a Netflixen streamelhető.

2015. július 17-én Cattrall megkapta Linda címszerepét Penelope Skinner új darabjában, amelyet Michael Longhurst rendez és a londoni Royal Court Színházban mutatnak be. Néhány nappal a premier előtt kénytelen volt kiszállni ebből a produkcióból, “krónikus, legyengítő álmatlanság” miatt. Visszatért New Yorkba, és kognitív viselkedésterápiás programba kezdett, hogy megtanítsa magát jobban aludni. A terápia sikeres volt; többek között bizonyos esti rituálékat alakított ki, eltávolította az elektronikus eszközöket a hálószobájából, és az ágy használatát két tevékenységre korlátozta, amelyek közül az egyik az alvás volt. Eközben Skinner darabjának 2015 decemberére tervezett bemutatójára Noma Dumezweni színésznő vette át a szerepet, ami nagy visszhangot és nyilvánosságot váltott ki. Cattrall a BBC Women’s Hour című műsorában nyíltan mesélt az álmatlansággal kapcsolatos útjáról és arról, hogyan tudta kezelni azt. Cattrall később még abban az évben visszatért a BBC Women’s Hour című műsorának vendégszerkesztőjeként, hogy megvitassa a “Choosing to Be Child Free” és a “Being a Parent Without Giving Birth” című témákat, amelyek ellentmondásos reakciókat és véleményeket váltottak ki. 2015-ben a SkyArts rövidfilmjében, a Ruby Robinson című fizikai vígjátékban is láthattuk, amelyben Cattrall Rubyt alakította, egy nőt, aki egy csapat szokatlan akrobatasegítővel él együtt, és akit az unokaöccse megtanít egy értékes leckére.

Catrall részt vett a BBC Arts I’m with the Banned című előadásában, amely a Belarus Free Theatre (BFT) tizedik évfordulós ünnepségének kiemelt eseménye volt. A koncertre a The Space megbízásából a londoni KOKO-ban került sor, és világszerte közvetítették. A radikális underground társulat, a BFT zenészek és előadók egyedülálló felállását hozta össze, hogy kiálljanak a művészi szólásszabadságért és az igazságtalanság ellen.

2016-ban Cattrall szerepelt a BBC The Witness for the Prosecution című minisorozatában, amely Agatha Christie novellája alapján készült. Az ünnepelt kétrészes minisorozatot 2017-ben a “Legjobb minisorozat” BAFTA-díjára jelölték. 2017-ben Cattrall csatlakozott a Modus című sikeres svéd tévésorozat szereplőgárdájához is, ahol az Egyesült Államok elnökét alakította. A Modus 2015-ben került először adásba Svédországban, majd később az Egyesült Királyságban a BBC Four sugározta. A sorozatot Kanadában, Ausztráliában, Franciaországban és Japánban is sugározzák, a FremantleMedia International gondozásában.

2020-ban Cattrall visszatért a tévéhez a Fox drámájában, a Filthy Rich-ben, ahol Margaret Monreaux-t alakította, egy déli család matriarcháját, aki megagazdaggá vált és egy rendkívül sikeres keresztény televíziós hálózat létrehozásával vált híressé. Miután férje repülőgép-szerencsétlenségben meghal, Margaret és családja döbbenten értesül arról, hogy a férfi három törvénytelen gyermeket nemzett, akiket a végrendeletébe is beleírtak – ezzel veszélyeztetve a család nevét és vagyonát. Cattrall producerként is közreműködött a sorozatban. Cattrallt a 2020-as atlantai tévéfesztiválon Icon-díjjal tüntették ki a sorozatért.