Cattrall rozpoczęła swoją karierę po ukończeniu Georges P. Vanier Secondary School w 1972 roku, kiedy to wyjechała z Kanady do Nowego Jorku. Tam uczęszczała do American Academy of Dramatic Arts, a po jej ukończeniu podpisała pięcioletni kontrakt filmowy z reżyserem Otto Premingerem. W filmie zadebiutowała w thrillerze akcji Premingera Rosebud (1975). Rok później Universal Studios wykupiło ten kontrakt i Cattrall stała się jedną z ostatnich uczestniczek systemu kontraktowego Universal (w tym okresie określanego również jako MCA/Universal), zanim system ten zakończył się w 1980 roku. Przedstawicielka systemu Universal w Nowym Jorku, Eleanor Kilgallen (siostra Dorothy Kilgallen), obsadziła Cattrall w licznych telewizyjnych rolach gościnnych. Jedną z pierwszych ról, jakie załatwiła jej Kilgallen, była rola w odcinku Quincy, M.E. z 1977 roku, w którym wystąpił Jack Klugman, którego Kilgallen również reprezentowała.

W 1978 roku Cattrall zagrała miłosne zainteresowanie morderczego psychologa w odcinku Columbo, a także w „Blindfold”, odcinku serialu akcji z lat siedemdziesiątych Starsky & Hutch, w którym Starsky (grany przez Paula Michaela Glasera) jest rozżalony, ponieważ przypadkowo oślepił postać Cattrall, młodą artystkę Emily Harrison, przez strzał z jego pistoletu. Wystąpiła w The Bastard (1978) i The Rebels (1979), dwóch miniserialach telewizyjnych opartych na powieściach Johna Jakesa o tych samych nazwach. W 1979 roku zagrała rolę Dr. Gabrielle White w The Incredible Hulk i przejdzie do historii telewizyjnego Hulka jako jedna z niewielu postaci, która wiedziała, że David Banner (alter ego tytułowego bohatera) żyje i jest stwórcą. Jej praca w telewizji opłaciła się i szybko przeniosła się do kina. Wystąpiła u boku Jacka Lemmona w nominowanym do Oscara filmie Tribute (1980), a także w Crossbar, filmie o skoczku wzwyż, który traci nogę, a mimo to z pomocą Cattrall bierze udział w próbach olimpijskich. W następnym roku, pojawiła się w Ticket to Heaven.

W 1982, Cattrall grał P.E. nauczyciel Miss Honeywell w Porky’s, a następnie dwa lata później przez rolę w oryginalnej Akademii Policyjnej. W 1985 roku wystąpiła w trzech filmach: Turk 182, City Limits i Hold-Up, w tym ostatnim z francuską gwiazdą Jean-Paul Belmondo. W 1986 roku zagrała błyskotliwą płomienicę Kurta Russella w filmie akcji Big Trouble in Little China. W 1987 roku jej główna rola w kultowej komedii Mannequin okazała się wielkim sukcesem dla publiczności. Jedną z jej najbardziej znanych ról filmowych jest porucznik Valeris w filmie Star Trek VI: Nieodkryty kraj; Cattrall asystowała przy tworzeniu postaci, projektując własną fryzurę, a nawet pomogła wymyślić jej imię.

Oprócz pracy w filmie, Cattrall jest również aktorką sceniczną, z występami w A View from the Bridge Arthura Millera oraz Three Sisters i Wild Honey Antona Czechowa na swoim koncie. Ponadto, można ją usłyszeć czytającą poezję Ruperta Brooke’a na płycie Red Rose Music SACD Sampler Volume One. W 1997 roku zagrała w serialu Sex and the City, serialu Darrena Star, który był emitowany na antenie HBO. Jako Samantha Jones, Cattrall zdobyła międzynarodowe uznanie. Wykorzystała swój sukces występując w parnych reklamach telewizyjnych promujących Pepsi One. Sex and the City trwał przez sześć sezonów i zakończył się jako cotygodniowy serial wiosną 2004 roku z 10,6 milionami widzów. Cattrall ponownie wcieliła się w rolę Samanthy Jones w filmie Sex and the City, który ukazał się 30 maja 2008 roku. Pojawiła się również w sequelu wydanym w maju 2010 roku. Za swoją rolę w serialu telewizyjnym była nominowana do pięciu nagród Emmy i czterech Złotych Globów, zdobywając jedną w 2002 roku. Zdobyła również dwie nagrody Screen Actors Guild Awards, które dzieliła ze swoimi partnerkami Sarah Jessicą Parker, Kristin Davis i Cynthią Nixon. W 2005 roku zajęła ósme miejsce na liście 50 najseksowniejszych gwiazd wszech czasów TV Guide. W 2008 roku została uhonorowana przez Cosmopolitan UK Ultimate Women Of The Year Awards nagrodą Ultimate Icon Award za rolę „Samanthy” w przebojowym serialu. Otrzymała również nagrodę NBC Universal Canada Award of Distinction na Banff World TV Festival 2008.

Cattrall w 2007 roku

W 2005 roku wystąpiła w filmie Disneya Księżniczka z lodu, w którym zagrała Tinę Harwood, trenerkę łyżwiarstwa głównej bohaterki filmu. Zagrała Claire, sparaliżowaną kobietę, która chce umrzeć, w dramacie na West Endzie Whose Life Is It Anyway? W tym samym roku została uhonorowana przez Glamour Magazine nagrodą „Woman of the Year Awards” dla aktorki teatralnej. W październiku 2006 roku pojawiła się, zbierając pochlebne recenzje, w West Endowej produkcji The Cryptogram Davida Mameta w Donmar Warehouse w Londynie. Od końca 2005 roku wystąpiła w kilku brytyjskich reklamach telewizyjnych dla Tetley Tea. W lipcu 2006 roku, reklama samochodów Nissan, w której Cattrall wystąpiła jako Samantha Jones, została wycofana z telewizji nowozelandzkiej, podobno z powodu skarg na insynuacje w niej zawarte. Później zagrała u boku Brendana Gleesona w filmie Johna Boormana Ogon tygrysa (2006), czarnej komedii, która skupia się na wpływie gospodarki Celtyckiego Tygrysa na Irlandczyków. W ITV, wystąpiła u boku Davida Haiga, Daniela Radcliffe’a i Carey Mulligan w My Boy Jack, historii poszukiwania przez autora Rudyarda Kiplinga syna zaginionego podczas pierwszej wojny światowej

W 2009 roku, Cattrall zagrała Amelię Bly w dobrze przyjętym filmie Romana Polańskiego The Ghost Writer i głos postaci Dee w kanadyjskim sitcomie animowanym dla dorosłych Producing Parker, ten ostatni, za który otrzymała nagrodę Gemini za najlepszy występ w programie lub serialu animowanym w 2010 roku. Później w 2009 roku ogłoszono, że Cattrall otrzyma gwiazdę na kanadyjskiej Alei Sław w Toronto, Ontario. Ceremonia wręczenia gwiazdy odbyła się 12 września 2009 roku. W listopadzie 2009 roku, podczas kręcenia filmu Sex and the City 2 w Marrakeszu, Maroko, wzięła udział w seminarium „Bycie reżyserem” z reżyserem Johnem Boormanem, jako część trzeciej edycji festiwalu Arts in Marrakech. 24 lutego 2010 roku Cattrall rozpoczęła występy na londyńskim West Endzie w Vaudeville Theatre jako główna dama, Amanda, naprzeciwko Matthew Macfadyena, we wznowieniu sztuki Noëla Cowarda Private Lives. Występowała do 3 maja 2010 roku i otrzymała nominację do nagrody Whats on Stage 2011 w kategorii „Najlepsza aktorka”. W tym samym roku Cattrall wystąpiła jako Gloria Scabius (u boku Macfadyena po raz kolejny) w uznanej przez krytyków Channel 4 adaptacji powieści Williama Boyda Any Human Heart.

Cattrall zagrała Kleopatrę w produkcji Antoniusza i Kleopatry w reżyserii Janet Suzman, naprzeciwko Jeffery’ego Kissoona jako Antoniego, w Liverpoolu w Playhouse w październiku 2010 roku, z późniejszym wznowieniem w Chichester Festival Theatre (z Michaelem Penningtonem jako Antonim) we wrześniu 2012 roku. W 2010 roku Cattrall została mianowana Honorowym Członkiem Liverpool John Moores University w uznaniu jej wkładu w sztukę dramatyczną. W 2011 roku Cattrall powtórzyła swoją rolę Amandy w produkcji Private Lives Noëla Cowarda u boku kanadyjskiego aktora Paula Grossa w Toronto i na Broadwayu. Krytyk teatralny „The New York Times” zachwycił się grą Cattrall, a ona sama otrzymała nominację do nagrody Drama League Award. W tym samym roku Cattrall wystąpiła również w Uptown Downstairs Abbey, parodii Comic Relief uznanych przez krytykę telewizyjnych dramatów historycznych Downton Abbey i Upstairs, Downstairs. Grając Lady Grantham, wystąpiła u boku Jennifer Saunders, Joanny Lumley, Victorii Wood, Harry’ego Enfielda, Patricka Barlowa, Dale’a Wintona, Olivii Colman, Tima Vine’a, Simona Callowa, Michaela Gambona i Harry’ego Hilla.

Od czerwca do sierpnia 2013 roku Cattrall miała wystąpić w produkcji The Old Vic’s Sweet Bird of Youth Tennessee Williamsa, w reżyserii zdobywczyni nagrody Oliviera, Marianne Elliott. W 2014 roku wystąpiła w roli głównej i podjęła się produkcji wykonawczej serialu HBO Canada’s Sensitive Skin i adaptacji pop brytyjskiego serialu z 2005 roku. W 2015 roku serial został nominowany do Międzynarodowej Nagrody Emmy. Program był nominowany do licznych Canadian Screen Awards z Cattrall otrzymując nominację w 2017 roku za rolę Daviny Jackson w serialu. Show jest obecnie dostępny do streamingu na Netflix.

W dniu 17 lipca 2015 roku Cattrall została obsadzona w tytułowej roli Lindy w nowej sztuce Penelope Skinner, która miała być wyreżyserowana przez Michaela Longhursta i wyprodukowana w londyńskim Royal Court Theatre. Została zmuszona do rezygnacji z tej produkcji na kilka dni przed otwarciem, z powodu „chronicznej, wyniszczającej bezsenności”. Wróciła do Nowego Jorku i rozpoczęła program terapii poznawczo-behawioralnej, aby wyćwiczyć się w lepszym zasypianiu. Terapia okazała się skuteczna; obejmowała wypracowanie pewnych wieczornych rytuałów, usunięcie urządzeń elektronicznych z sypialni i ograniczenie korzystania z łóżka do dwóch czynności, z których jedną miał być sen. W międzyczasie, na zaplanowaną na grudzień 2015 roku premierę sztuki Skinnera, aktorka Noma Dumezweni przejęła rolę ku wielkiemu uznaniu i rozgłosowi. Cattrall opowiedziała w programie BBC Women’s Hour o swojej podróży związanej z bezsennością i o tym, jak sobie z nią radziła. Cattrall powróciła później w tym samym roku do gościnnego redagowania programu BBC Women’s Hour, aby omówić „Choosing to Be Child Free” i „Being a Parent Without Giving Birth”, które wzbudziły kontrowersyjne reakcje i opinie. Była również widziana w 2015 roku na SkyArts short Ruby Robinson, komedii fizycznej, w której Cattrall wystąpiła jako Ruby, kobieta żyjąca z trupą niezwykłych pomocników akrobatów, która otrzymuje cenną lekcję od swojego siostrzeńca.

Catrall wzięła udział w BBC Arts’ I’m with the Banned, flagowym wydarzeniu w ramach obchodów dziesiątej rocznicy powstania Białoruskiego Wolnego Teatru (BFT). Koncert, zorganizowany na zlecenie The Space, odbył się w londyńskim KOKO i był transmitowany na cały świat. Radykalna podziemna firma BFT zgromadziła wyjątkowy skład muzyków i wykonawców, aby stanąć w obronie artystycznej wolności słowa i przeciwko niesprawiedliwości.

W 2016 roku Cattrall wystąpiła w miniserialu BBC Świadek oskarżenia na podstawie opowiadania Agathy Christie. Celebrowany dwuczęściowy mini-serial został nominowany do nagrody BAFTA 2017 w kategorii „Najlepszy mini-serial”. W 2017 roku Cattrall dołączyła również do obsady przebojowego szwedzkiego serialu Modus, grając prezydenta Stanów Zjednoczonych. Modus po raz pierwszy wyemitowano w Szwecji w 2015 roku, a następnie został wyemitowany przez BBC Four w Wielkiej Brytanii. Program emitowany jest również w Kanadzie, Australii, Francji i Japonii i jest obsługiwany przez FremantleMedia International.

W 2020 roku Cattrall powróciła do telewizji w dramacie Fox Filthy Rich, gdzie zagrała Margaret Monreaux, matriarchę południowej rodziny, która stała się mega bogata i znana z tworzenia szalenie udanej chrześcijańskiej sieci telewizyjnej. Po tym, jak jej mąż ginie w katastrofie lotniczej, Margaret i jej rodzina dowiadują się, że spłodził on trójkę nieślubnych dzieci, z których wszystkie zostają zapisane w testamencie, co zagraża ich rodzinnemu nazwisku i fortunie. Cattrall pełniła również funkcję producenta serialu. Cattrall została uhonorowana na festiwalu telewizyjnym w Atlancie w 2020 roku nagrodą Icon Award za ten serial.