Kathryn Bigelow nasce il 27 novembre 1951a San Carlos, una cittadina nella California settentrionale vicino a San Francisco. Molto interessata all'arte e con lievi problemi di inserimento a scuola, si iscrisse dopo il liceo al San Francisco Art Institute e vince una borsa di studio per l'Indipendent Study Program del Whitney Museum che la porta a trasferirsi a New York. Qui collabora con molti artisti tra i quali Vito Acconci che la convince a girare delle immagini. Così nel 1979 debutta alla regia con un cortometraggio "Set-Up". Nel frattempo ha vinto un'altra borsa di studio per la Graduate School of Film della Columbia University dove segue un corso tenuto da Milos Forman. Il suo corto partecipa a diverse manifestazioni americane ed europee tra cui anche il Festival di Edimburgo. Nel 1982 appare anche come attrice nel film di Lizzie Borden "Born in Flames". Lo stesso anno segna il suo esordio nel lungometraggio: dirige un esordiente Willem Defoe in "The Loveless" insieme a Monty Montgomery. Nel 1983 insegna cinema per la durata di un semestre all'Istituto per le Arti della California. Nello stesso anno entra come scrittrice di sceneggiature alla Universal. Dopo aver rifiutato diverse proposte di film "perfetti per essere diretti da una donna", Kathryn Bigelow gira nel 1987 il suo secondo film, "Il buoi si avvicina" che entra a far parte della collezione del "Museum of Modern Art di New York". Finalmente nel 1990 Kathryn riesce a portare avanti il progetto che desiderava da tempo: girare un poliziesco con una coriacea donna come protagonista in divisa. Ciò è reso possibile da Oliver Stone, unico produttore a non chiedere che il protagonista fosse un uomo. L'incontro con James Cameron è decisivo per la sua vita e la sua carriera: dopo averla sposata, Cameron produce il suo "Point Break" che la pone definitivamente tra i registi stimati in ambito internazionale. Il film inoltre è il primo blockbuster diretto dalla regista. Kathryn passa un momento difficile durante la lavorazione di "Strange Days" (presentato alla mostra di Venezia nel 1995): divorzia da James Cameron - che continua però a produrre il film - e perde sua madre Gertrude, alla quale è dedicata la pellicola. Nel 1996 viene premiata con il Premio Federico Fellini alla mostra internazionale "Riminicinema". Quattro anni dopo realizza una delle sue pellicole più raffinate, l'europeizzante "Il mistero dell'acqua", con Sean Penn. Kathryn fa ormai parte della rosa di quei cineasti apprezzati nel mondo intero.
La consacrazione definitiva arriva con "The Hurt Locker", lucida analisi della guerra irachena che nel 2010 le regala ben 6 Oscar, facendola diventare la prima donna a vincere la statuetta per la Miglior Regia.