Irlandaise d’origine, Katie McGrath est devenue actrice par le fruit du hasard. Après des études d’Histoire, la jeune femme s’est orientée vers le journalisme de mode, publiant des articles consacrés aux grandes tendances. Cette passion lui permet alors de travailler sur les costumes de la série historique Les Tudors. Sur les recommandations d’un des membres de la production, elle change d'univers pour s'essayer au métier d’actrice.

La chance lui sourit d'emblée puisqu’elle est retenue pour un rôle secondaire dans le téléfilm irlandais Damages (2007). Une première expérience qui ne sera pas la dernière puisque Katie McGrath retrouve l’équipe des Tudors pour une prestation cette fois-ci devant la caméra. Mais c'est en décrochant un rôle majeur dans la série britannique Merlin, celui de Morgane la demi-sœur du futur roi Arthur, que sa carrière prend son envol. Diffusé pendant quatre saisons, le show remporte un vif succès auprès du public. Parallèlement à la série, la comédienne apparaît dans plusieurs drames historiques, un genre qui semble avoir ses faveurs : tout d'abord, le docu-fiction The Queen où elle prête ses traits à la princesse Margaret mais également dans W.E., la deuxième réalisation de Madonna, où elle incarne l’une des maîtresses du roi abdiquant Édouard VIII. Enfin, elle est en 2012 au casting de Labyrinthe, la mini-série teintée de fantastique produite par les frères Scott.

Après l’arrêt de Merlin, Katie McGrath rejoint une autre adaptation d’un célèbre mythe britannique, Dracula, version romancée du célèbre vampire avec ...Jonathan Rhys-Meyers, la star des Tudors ! La série est un échec et se fait annuler dès la première saison. La carrière de la jeune femme n’en est cependant pas affectée puisqu’elle est la tête d’affiche de la comédie romantique Leading Lady en 2014 puis l’année suivante au casting de Jurassic World dans le rôle de la baby-sitter chargée de surveiller les turbulants neveux de Bryce Dallas Howard. Elle retrouve ensuite les plateaux de télévision en apparaissant consécutivement dans la série horrifique Slasher puis en incarnant Lena Luthor, la sœur de l’emblématique Lex, dans la deuxième saison de Supergirl.

En 2017, Katie McGrath apparait dans une nouvelle adaptation du roi Arthur, mais au cinéma cette fois, sous la direction de Guy Ritchie. Elle incarne cependant un rôle tout à fait différent de celui tenu dans Merlin.