Cattrall begon haar carrière na haar afstuderen aan de Georges P. Vanier Secondary School in 1972, toen ze Canada verliet voor New York City. Daar bezocht ze de American Academy of Dramatic Arts en na haar afstuderen tekende ze een filmcontract voor vijf jaar met regisseur Otto Preminger. Ze maakte haar filmdebuut in Preminger’s actiethriller Rosebud (1975). Een jaar later kocht Universal Studios dat contract af en werd Cattrall een van de laatste deelnemers aan het contractspelersysteem van Universal (in deze periode ook MCA/Universal genoemd) voordat het systeem in 1980 eindigde. De vertegenwoordigster van Universal in New York, Eleanor Kilgallen (zus van Dorothy Kilgallen), castte Cattrall in talrijke gastrollen op televisie. Een van de eerste rollen die Kilgallen voor haar regelde was in een aflevering uit 1977 van Quincy, M.E. met Jack Klugman in de hoofdrol, die Kilgallen ook vertegenwoordigde.

In 1978 speelde Cattrall de love interest van een moorddadige psycholoog in een aflevering van Columbo en ook in “Blindfold”, een aflevering van de jaren ’70 actieserie Starsky & Hutch, waarin Starsky (gespeeld door Paul Michael Glaser) verdriet heeft omdat hij per ongeluk Cattrall’s personage, de jonge kunstenares Emily Harrison, verblindde door een schot van zijn pistool. Ze speelde in The Bastard (1978) en The Rebels (1979), twee televisie-miniseries gebaseerd op de gelijknamige romans van John Jakes. In 1979 speelde ze de rol van Dr. Gabrielle White in The Incredible Hulk en zou de geschiedenis van de Hulk ingaan als één van de weinige personages die wisten dat David Banner (alter ego van het titelpersonage) leefde en het schepsel was. Haar televisiewerk wierp vruchten af en ze maakte snel de overstap naar de bioscoop. Ze speelde tegenover Jack Lemmon in diens voor een Oscar genomineerde film Tribute (1980), en in Crossbar, de film over een hoogspringer die zijn been verliest en toch deelneemt aan de Olympische trials, met hulp van Cattrall. Het jaar daarop was ze te zien in Ticket to Heaven.

In 1982 speelde Cattrall P.E. lerares Miss Honeywell in Porky’s, twee jaar later gevolgd door een rol in de originele Police Academy. In 1985 speelde ze in drie films: Turk 182, City Limits en Hold-Up, de laatste met de Franse ster Jean-Paul Belmondo. In 1986 speelde ze de slimme vlam van Kurt Russell in de actiefilm Big Trouble in Little China. In 1987 bleek haar hoofdrol in de cult komedie film Mannequin een groot succes bij het publiek. Een van haar bekendste filmrollen is die van Luitenant Valeris in Star Trek VI: The Undiscovered Country; Cattrall hielp bij de ontwikkeling van het personage door haar eigen kapsel te ontwerpen en hielp zelfs bij het bedenken van de naam.

Naast haar filmwerk is Cattrall ook een toneelactrice, met optredens in Arthur Millers A View from the Bridge en Anton Tsjechovs Drie Zusters en Wilde Honing op haar naam. Daarnaast is ze te horen als voordrachtster van de poëzie van Rupert Brooke op de CD Red Rose Music SACD Sampler Volume One. In 1997 werd ze gecast in Sex and the City, de serie van Darren Star die werd uitgezonden op HBO. Als Samantha Jones kreeg Cattrall internationale erkenning. Ze profiteerde van haar succes door op te treden in stomende televisiereclames ter promotie van Pepsi One. Sex and the City liep zes seizoenen en eindigde als wekelijkse serie in het voorjaar van 2004 met 10,6 miljoen kijkers. Cattrall speelde de rol van Samantha Jones opnieuw in de Sex and the City-film, die op 30 mei 2008 uitkwam. Ze was ook te zien in het vervolg dat in mei 2010 uitkwam. Voor haar rol in de televisieserie werd ze genomineerd voor vijf Emmy Awards, en vier Golden Globe Awards, waarvan ze er een won in 2002. Ze won ook twee Screen Actors Guild Awards, samen met haar tegenspeelsters Sarah Jessica Parker, Kristin Davis en Cynthia Nixon. In 2005 werd ze achtste op de lijst van 50 meest sexy sterren aller tijden van TV Guide. In 2008 werd ze op de Cosmopolitan UK Ultimate Women Of The Year Awards geëerd met de Ultimate Icon Award voor haar rol als ‘Samantha’ in de hitserie. Ze werd ook onderscheiden met de NBC Universal Canada Award of Distinction op het Banff World TV Festival 2008.

Cattrall in 2007

In 2005 was ze te zien in de Disneyfilm Ice Princess, waarin ze Tina Harwood speelde, de schaatscoach van het hoofdpersonage van de film. Ze vertolkte Claire, een verlamde vrouw die dood wil, in de West End drama revival van Whose Life Is It Anyway? Ze werd dat jaar geëerd door Glamour Magazine voor de “Woman of the Year Awards” voor Theater Actrice. In oktober 2006 verscheen ze met lovende kritieken in een West End productie van David Mamet’s The Cryptogram in het Donmar Warehouse in Londen. Sinds eind 2005 is ze te zien in een aantal Britse tv-commercials voor Tetley Tea. In juli 2006 werd een reclamespot voor Nissan auto’s, waarin Cattrall te zien was als Samantha Jones, teruggetrokken van de Nieuw-Zeelandse televisie, blijkbaar vanwege klachten over de toespelingen. Later speelde ze samen met Brendan Gleeson in John Boorman’s film The Tiger’s Tail (2006), een zwarte komedie over de impact van de economie van de Keltische tijger op de Ierse bevolking. Op ITV speelde ze naast David Haig, Daniel Radcliffe en Carey Mulligan in My Boy Jack, het verhaal van de zoektocht van schrijver Rudyard Kipling naar zijn zoon die in de Eerste Wereldoorlog verloren ging

In 2009 speelde Cattrall Amelia Bly in Roman Polanski’s goed ontvangen The Ghost Writer en sprak ze het personage Dee in in de Canadese volwassen animatiesitcom Producing Parker, waarvoor ze in 2010 een Gemini voor Beste Optreden in een Geanimeerd Programma of Serie kreeg. Later in 2009 werd aangekondigd dat Cattrall een ster zou krijgen op Canada’s Walk of Fame in Toronto, Ontario. De inhuldigingsceremonie vond plaats op 12 september 2009. In november 2009, tijdens het filmen van Sex and the City 2 in Marrakech, Marokko, nam ze deel aan een seminar, ‘Being directed’ met regisseur John Boorman als onderdeel van de derde editie van het Arts in Marrakech Festival. Op 24 februari 2010 begon Cattrall in het Londense West End in het Vaudeville Theatre als hoofdrolspeelster Amanda, tegenover Matthew Macfadyen, in een reprise van Noël Coward’s toneelstuk Private Lives. Ze trad op tot 3 mei 2010 en ontving in 2011 een Whats on Stage nominatie voor “Beste Actrice.” In datzelfde jaar speelde Cattrall als Gloria Scabius (opnieuw naast Macfadyen) in de veelgeprezen Channel 4-bewerking van William Boyd’s roman Any Human Heart.

Cattrall speelde Cleopatra in een productie van Antony and Cleopatra, geregisseerd door Janet Suzman, tegenover Jeffery Kissoon als Anthony, in Liverpool in het Playhouse in oktober 2010, met een daaropvolgende reprise in Chichester Festival Theatre (met Michael Pennington als Anthony) in september 2012. In 2010 werd Cattrall benoemd tot Honorary Fellow van de Liverpool John Moores University als erkenning voor haar bijdragen aan de dramatische kunsten. In 2011 hernam Cattrall haar rol als Amanda in een productie van Noël Coward’s Private Lives tegenover de Canadese acteur Paul Gross in Toronto en op Broadway. De New York Times theatercriticus was lovend over Cattrall’s optreden en ze ontving een Drama League Award nominatie. Dat jaar was Cattrall ook te zien in Uptown Downstairs Abbey, de Comic Relief parodie op de veelgeprezen historische televisiedrama’s Downton Abbey en Upstairs, Downstairs. Ze speelde Lady Grantham naast Jennifer Saunders, Joanna Lumley, Victoria Wood, Harry Enfield, Patrick Barlow, Dale Winton, Olivia Colman, Tim Vine, Simon Callow, Michael Gambon en Harry Hill.

Van juni tot augustus 2013 was Cattrall te zien in de Old Vic’s productie van Tennessee Williams’s Sweet Bird of Youth, geregisseerd door Olivier Award-winnares Marianne Elliott. In 2014 speelde ze de hoofdrol en executive producer van HBO Canada’s Sensitive Skin en adaptatie pop de Britse serie uit 2005. In 2015 werd de show genomineerd voor een International Emmy Award. De show werd genomineerd voor tal van Canadese Screen Awards waarbij Cattrall in 2017 een nominatie kreeg voor haar rol als Davina Jackson in de serie. De show is nu beschikbaar voor streaming op Netflix.

Op 17 juli 2015 werd Cattrall gecast in de titelrol van Linda in een nieuw toneelstuk van Penelope Skinner, dat zou worden geregisseerd door Michael Longhurst en geproduceerd in het Londense Royal Court Theatre. Ze moest een paar dagen voor de opening uit die productie stappen vanwege “chronische, slopende slapeloosheid”. Ze keerde terug naar New York en begon een programma van cognitieve gedragstherapie om zichzelf te trainen om beter te slapen. De therapie had succes; ze ontwikkelde onder meer bepaalde avondrituelen, verwijderde elektronische apparaten uit haar slaapkamer en beperkte het gebruik van het bed tot twee activiteiten, waarvan slapen er één zou zijn. Ondertussen, voor de geplande december 2015 opening van Skinner’s toneelstuk, nam actrice Noma Dumezweni de rol over tot veel bijval en publiciteit. Cattrall vertelde in het BBC Women’s Hour over haar slapeloosheid en hoe ze daarmee om kon gaan. Cattrall keerde later dat jaar terug om als gastvrouw te spreken over “Choosing to Be Child Free” en “Being a Parent Without Giving Birth” in het BBC Women’s Hour, wat controversiële reacties en meningen opriep. Ze was in 2015 ook te zien in de SkyArts-short Ruby Robinson, een fysieke komedie waarin Cattrall de hoofdrol speelde als Ruby, een vrouw die samenwoont met een troep ongewone acrobatenhelpers, die een waardevolle les krijgt van haar neef.

Catrall nam deel aan BBC Arts’ I’m with the Banned, het vlaggenschipevenement in de viering van de tiende verjaardag van Belarus Free Theatre (BFT). In opdracht van The Space vond het concert plaats in het Londense KOKO en het werd wereldwijd uitgezonden. Radicaal undergroundgezelschap BFT bracht een unieke line-up van muzikanten en performers samen om op te komen voor artistieke vrijheid van meningsuiting en tegen onrecht.

In 2016 speelde Cattrall de hoofdrol in de BBC-miniserie The Witness for the Prosecution, gebaseerd op het korte verhaal van Agatha Christie. De gevierde tweedelige miniserie werd genomineerd voor een 2017 BAFTA award voor “Best Mini-Series.” In 2017 sloot Cattrall zich ook aan bij de cast van de Zweedse hit tv-show Modus, waarin ze de president van de Verenigde Staten speelt. Modus werd voor het eerst uitgezonden in Zweden in 2015 en werd later uitgezonden door BBC Four in het Verenigd Koninkrijk. De show wordt ook uitgezonden in Canada, Australië, Frankrijk en Japan en wordt verzorgd door FremantleMedia International.

In 2020 keerde Cattrall terug op tv in het Fox-drama Filthy Rich, waar ze Margaret Monreaux speelde, de matriarch van een zuidelijke familie die megarijk en beroemd is geworden door het opzetten van een wild succesvol christelijk televisienetwerk. Nadat haar man bij een vliegtuigongeluk om het leven komt, komen Margaret en haar familie tot hun verbijstering te weten dat hij drie onwettige kinderen heeft verwekt, die allemaal in zijn testament zijn opgenomen – waardoor hun familienaam en fortuin in gevaar komen. Cattrall was ook producent van de serie. Cattrall werd geëerd op het 2020 Atlanta TV festival met de Icon Award voor de show.