Katharina Schüttler wuchs mit zwei Geschwistern in Köln auf. Ihr Vater ist Schauspieler, Regisseur und war Theaterintendant, ihre Mutter ist Theaterautorin. Schon mit elf Jahren hatte sie erste Rollen in Film- und Fernsehproduktionen. Nach dem Abitur studierte sie von 1999 bis 2003 Schauspiel an der Hochschule für Musik und Theater Hannover. 2002 spielte sie die Titelrolle in der deutschen Uraufführung des Theaterstücks Lolita am Schauspiel Hannover und überzeugte damit Kritik und Publikum. Schüttler ist für Film, Fernsehen und Theater tätig. Sie spielt bevorzugt radikale Rollen, bei denen Menschen in existenziellen Situationen hin- und hergerissen sind. So war sie zum Beispiel von 2005 bis 2007 an der Berliner Schaubühne am Lehniner Platz in Sarah Kanes Theaterstück Zerbombt zu sehen. An der Seite von Ulrich Mühe und Thomas Thieme spielte sie die geistig minderbemittelte Cate.
2002 wurde sie im Rahmen des Filmfests München mit dem Förderpreis Deutscher Film für Sophiiiie! ausgezeichnet. 2006 wurde ihr von Studio Hamburg der Günter-Strack-Fernsehpreis für herausragende schauspielerische Leistungen in den Filmen Sophiiiie! und Vorsicht Schwiegermutter! verliehen. Für ihre Darstellung der Hedda Gabler wurde sie in der Kritikerumfrage der Zeitschrift Theater heute 2006 schließlich zur Schauspielerin des Jahres gewählt. Sie ist die jüngste Schauspielerin seit Beginn der Umfrage, die diese Auszeichnung erhielt. Des Weiteren gewann sie im selben Jahr für ebendiese Produktion den erstmals verliehenen Faust-Theaterpreis in der Kategorie Beste darstellerische Leistung Schauspiel.
2009 waren Katharina Schüttler und Matthias Schweighöfer als Ehepaar Reich-Ranicki im biografischen Fernsehfilm Mein Leben – Marcel Reich-Ranicki zu sehen. Marcel Reich-Ranicki lobte die „glänzende Besetzung“ und das „fabelhafte“ Spiel der Hauptdarsteller. Für ihre Leistung in dem Film Es kommt der Tag, in dem sie neben Iris Berben eine der Hauptrollen spielte, erhielt sie den Bayerischen Filmpreis 2009 als beste Nachwuchsdarstellerin. 2010 wurde sie mit dem Ulrich-Wildgruber-Preis ausgezeichnet. Katharina Schüttler ist Mitglied der Deutschen Filmakademie und der Deutschen Akademie der Darstellenden Künste.
2013 war Katharina Schüttler mit der Rolle der Greta Müller einer der Hauptdarsteller des drei-teiligen Fernsehfilms Unsere Mütter, unsere Väter des ZDF und war im selben Jahr als Fischersfrau Ilsebill, die sich über ihren Mann, dem Fischer Hein, immer mehr von einem verwunschenen Butt wünscht, in dem Märchenfilm Vom Fischer und seiner Frau zu sehen. 2014 sah man sie in Matthias Schweighöfers Kinofilm Vaterfreuden als Betti und in der Rolle der ersten deutschen promovierten Chemikerin Clara Immerwahr im gleichnamigen Fernsehfilm.
Katharina Schüttler ist mit dem Regisseur Till Franzen verheiratet und Mutter einer Tochter.
2002 wurde sie im Rahmen des Filmfests München mit dem Förderpreis Deutscher Film für Sophiiiie! ausgezeichnet. 2006 wurde ihr von Studio Hamburg der Günter-Strack-Fernsehpreis für herausragende schauspielerische Leistungen in den Filmen Sophiiiie! und Vorsicht Schwiegermutter! verliehen. Für ihre Darstellung der Hedda Gabler wurde sie in der Kritikerumfrage der Zeitschrift Theater heute 2006 schließlich zur Schauspielerin des Jahres gewählt. Sie ist die jüngste Schauspielerin seit Beginn der Umfrage, die diese Auszeichnung erhielt. Des Weiteren gewann sie im selben Jahr für ebendiese Produktion den erstmals verliehenen Faust-Theaterpreis in der Kategorie Beste darstellerische Leistung Schauspiel.
2009 waren Katharina Schüttler und Matthias Schweighöfer als Ehepaar Reich-Ranicki im biografischen Fernsehfilm Mein Leben – Marcel Reich-Ranicki zu sehen. Marcel Reich-Ranicki lobte die „glänzende Besetzung“ und das „fabelhafte“ Spiel der Hauptdarsteller. Für ihre Leistung in dem Film Es kommt der Tag, in dem sie neben Iris Berben eine der Hauptrollen spielte, erhielt sie den Bayerischen Filmpreis 2009 als beste Nachwuchsdarstellerin. 2010 wurde sie mit dem Ulrich-Wildgruber-Preis ausgezeichnet. Katharina Schüttler ist Mitglied der Deutschen Filmakademie und der Deutschen Akademie der Darstellenden Künste.
2013 war Katharina Schüttler mit der Rolle der Greta Müller einer der Hauptdarsteller des drei-teiligen Fernsehfilms Unsere Mütter, unsere Väter des ZDF und war im selben Jahr als Fischersfrau Ilsebill, die sich über ihren Mann, dem Fischer Hein, immer mehr von einem verwunschenen Butt wünscht, in dem Märchenfilm Vom Fischer und seiner Frau zu sehen. 2014 sah man sie in Matthias Schweighöfers Kinofilm Vaterfreuden als Betti und in der Rolle der ersten deutschen promovierten Chemikerin Clara Immerwahr im gleichnamigen Fernsehfilm.
Katharina Schüttler ist mit dem Regisseur Till Franzen verheiratet und Mutter einer Tochter.