Fille de l'actrice Claudie (née Perrier), ainsi que la nièce du Premier ministre belge Paul-Henri Spaak qui fut l'un des pères fondateurs de la communauté européenne. La jolie Catherine Spaak vient au monde le 3 avril 1945, à Boulogne Billancourt dans la banlieue ouest de Paris. Elle à une sœur ainée, Agnès, un ancien mannequin et comédienne qui deviendra plus tard photographe de mode à Milan.

La fillette, élevée au pensionnat de Saint-Germain-en-Laye, voulait devenir ballerine mais étant trop grande elle a dû renoncer à sa vocation.
Adolescente ayant baigné toute sa jeunesse dans un milieu familial artistique, elle se prend de passion pour le septième art.

Son père Charles Spaak, qui n’approuve pas son choix fut le célèbre scénariste des chefs-d'œuvre, de Jean Gremillon pour « La Petite Lise » (1930) et « Gueule d’amour » (1937) ; de Julien Duvivier pour « La belle équipe » (1936) et « La fin du jour » jour » (1938) ; et aussi Jean Renoir pour « La Grande Illusion » (1937) et bien d’autres.

A quatorze ans, la chance lui sourit lors qu'une jeune camarade lui demande de l'accompagner chez un imprésario qui lui a réservé un test pour un court métrage de Jacques Gauthier « L'hiver ». Amusée, elle accepte, finalement, son amie ne répondant pas au personnage recherché, c'est Catherine qui à été choisit pour être l'interprète du petit film à caractère documentaire.

Sa fille n'ayant que 14 ans, le père décide que l'expérience doit s'arrêter là, mais face à la volonté inébranlable de Catherine, il finit par se laisser convaincre.

C’est Jacques Becker qui lui offre son premier rôle, il cherche une jeune inconnue pour son film « Le trou » (1960) il recrute avec l’accord de son ami Charles Spaak, sa fille pour tenir le rôle de Nicole, la petite amie de Gaspard (Marc Michel) un jeune détenu en prison, on voit Nicole en gros plan sur son beau visage dans la scène du parloir.

En 1960, Catherine décide de s'expatrier en Italie, où elle y fera l’essentielle de sa carrière professionnelle.

Elle imposera sa frimousse juvénile dans des comédies sexy à l'italienne avec un personnage d'adolescente moderne et délurée, où son charme sauvage et ses moues poupines firent merveille. Elle sera souvent associée à Vittorio Gassman, Ugo Tognazzi ou Nino Manfredi.

Alberto Lattuada l’engage dans son film « Les adolescentes » centré sur les premiers émois de Francesca, une nymphette de dix-sept ans insaisissable et tentatrice, qui découvre l'amour dans les bras d'un séduisant architecte (Christian Marquand) un ami de la famille de vingt ans son aîné.

Retour en France avec le mélodrame « Le puits aux trois vérités » (1961) de François Villiers, Laurent (Jean Claude Brialy) jeune peintre, a une violente altercation avec sa femme (Catherine Spaak) qui est retrouvée morte chez elle, la police cherche à démêler la vérité, à la fois dans le journal intime de la victime et dans les déclarations de sa mère (Michèle Morgan) qui est la maitresse de Laurent.

Luciano Salce signe une comédie douce-amère « Elle est terrible » (1961), Antonio (Ugo Tognazzi) un industriel d'âge moyen qui a raté sa vie privée, rencontre des jeunes adolescents libérés, il tombe irrésistiblement sous le charme innocent de la belle et provocante Francesca, mais ridiculisé par le groupe de jeunes, il se retrouve devant un miroir qui lui donne une image bien pitoyable de lui-même.

Pour Damiano Damiani dans « L'Ennui et sa diversion, l'érotisme » (1963) un jeune peintre en herbe (Horst Buchholz) tombe amoureux de Cecilia un beau mannequin (Catherine Spaak) mais Cecilia, effronté personnage ne veut que des relations sexuelles sans engagement, il tente d’acheter son cœur en la couvrant de billets de banque, devant son refus, il tente de se suicider.

Ayant défini son profil cinématographique, elle trouvera rarement l’occasion de sortir du registre de la comédie de mœurs à l'italienne, (certains de ses films ont étés même à la limite de la censure), elle restera cantonné a interpréter des personnages acidulés, de jeunes adolescentes désinvoltes et libérées.

Elle joue de ses charmes dans « La fille de Parme » (1963) d'Antonio Pietrangeli, elle campe la belle orpheline Dora qui vit chez son oncle prêtre, après avoir séduit le séminariste Giacomo (Vanni De Maigret), elle découvre le désir des hommes en utilisant sa séduction, avec entre autres Nino Manfredi, Salvo Randone et Lando Buzzanca.

Elle est encore remarquer par sa beauté sensuelle dans le sulfureux « La vie ardente » (1963) de Florestano Vancini, Sergia une ado extravertie accepte de passer deux jours avec deux garçons, (Jacques Perrin et Fabrizio Capucci) sur une île où se trouve une maison inhabitée, mais leur aventure tourne mal lorsque survient le propriétaire de la villa,(Gabriele Ferzetti), Sergia n'est pas insensible au charme de l'homme mûr.

Sur ce dernier plateau, Catherine et Fabrizio Capucci, tombe amoureux et se marient en 1963, de leur brève union qui se termine en 1971 est née Sabrina future comédienne de théâtre.

En 1964, elle revient en France à l'appel d 'Henri Verneuil pour son drame de guerre « Week-end à Zuydcoote », le soldat Julien Maillat (Jean Paul Belmondo) vient en aide à Jeanne aux prises avec deux soldats qui veulent la violer, Julien abat les soudards, Julien et Jeanne tombent amoureux et décident de s’enfuir ensemble, on découvre sa tristesse, lorsqu’elle va le rejoindre sur la plage la valise à la main et qu’elle apprend que Julien s’est fait tuer, avec entre autres Georges Géret, Pierre Mondy, Jean-Pierre Marielle.

Elle fait une nouvelle démonstration de son coté libertin avec « Le partage de Catherine » (1965) de Luigi Comencini, Maria est une jolie Romaine sans scrupules, partage avec désinvolture ses relations entre ses amants : un noble d'âge mur, marié (Enrico Maria Salerno), un dentiste Arturo (Marc Michel), et flirte avec un jeune étudiant.

Dans le film d’aventures de Mauro Bolognini « Mademoiselle de Maupin » (1966) au XVIIè siècle, la jeune et innocente Magdeleine de Maupin (Catherine Spaak) doit fuir pour ne pas subir les outrances des soldats hongrois déguisée en garçon, elle est arrêtée est enrôlée de force par un fougueux capitaine du roi (Robert Hossein), dès lors elle va vivre sa propre vie, tantôt l'uniforme militaire et devient bretteur, tantôt le costume d'une prostituée, mais finit par trouver l'amour auprès du capitaine.

En 1967, elle s’envole pour Hollywood pour une participation dans « Hotel » réalisé par Richard Quine, aux cotés de Rod Taylor le gérant d’un prestigieux hôtel de la Nouvelle-Orléans, il tombe sous le charme de Jeanne (Catherine Spaak), qui travaille pour l'un des acheteurs intéressés par son hôtel. Le film n'obtient pas le succès escompté malgré un casting notable qui comprend : Richard Conte, Melvyn Douglas, Michael Rennie, Kevin McCarthy et Merle Oberon. Se sera son unique film américain, Catherine rentre en Italie.

Pasquale Festa Campanile l’engage dans la comédie érotique « L'amour à cheval » (1968), Mimmi découvre que son défunt mari possédait une garçonnière et se livrait à des jeux sexuels sadomasochistes, elle décide de rattraper son retard, en multipliant les rencontres, notamment avec le docteur Carlo (Jean-Louis Trintignant) dès lors on a droit à un véritable catalogue de fantaisies sexuelles.

Suspecte et séductrice dans le thriller « Le chat à neuf queues « (1971) de Dario Argento, un gardien d'un institut spécialisé dans la recherche génétique sur des personnes enclines à la violence et à la criminalité, est agressé, mais une série de meurtres empêche la progression de l'enquête avec Karl Malden, James Franciscus et Horst Frank .

En 1973 Enrico Maria Salerno signe « Chers parents » un drame sur la libération sexuelle, Giulia, (Florinda Bolkan) se rend à Londres à la recherche de sa fille Antonia (Maria Schneider), elle rencontre Mado (Catherine Spaak) l'amie d'Antonia, elle va découvrir que les deux jeunes filles sont lesbiennes.

Inspiré de faits réels en 1973, Domenico Paolella signe « Une histoire du XVIIe siècle », la jeune Carmela (Eleonora Giorgi) est envoyée dans un couvent, dès son arrivée elle sera retrouve coincée entre la stricte Mère Supérieure (Suzy Kendall) et de la débauchée sœur Elisabeth (Catherine Spaak) une religieuse bisexuelle qui se livre au lesbianisme.

Par la suite, sa carrière cinématographique commence à stagner, néanmoins on la retrouve dans « Fleur de vice » (1981) de Gianfranco Angelucci, elle campe une romancière qui force un éditeur, (Fernando Rey) pistolet au poing, à publier son manuscrit, l'histoire érotique de la jeune Anny (Clio Goldsmith) ; puis elle campe une journaliste dans « Claretta » (1984) de Pasquale Squitieri, elle souhaite tourner un film sur la vie et la mort de Claretta Petacci, la maîtresse de Benito Mussolini interprété par Claudia Cardinale.

Fin 1980, Catherine Spaak travaille comme journaliste de potins pour des quotidiens comme Il Mattino di Napoli et le Corriere della et pour divers magazines de divertissements. Puis devient présentatrice d’un talk-show télévisé italien très réussi intitulé « Harem » qui s'est déroulé de 1988 à 2002 où elle avait reçu entre autres Catherine Deneuve, Monica Bellucci, Isabel Allende et Ornella Muti. Elle a également participé à une quinzaine de séries télévisées dont la plus connue, la série française « Une famille formidable » pour 6 épisodes en 2013 aux côtés de Bernard Le Coq et Anny Duperey. Elle se mit aussi l'écriture et publia 5 romans, remportant un certain succès auprès des lecteurs et des critiques.

Coté vie privée : Catherine Spaak a rempli les potins des magazines et des hebdomadaires dû à sa vie amoureuse mouvementée, elle a été mariée et divorcée quatre fois dont Fabrizio Capucci en 1963, puis convole avec l'acteur Johnny Dorelli de 1972 à 1979 ; un fils est né de leur union Gabrielle devenu producteur ; suivi de l'architecte Daniel Rey de 1993 à 2010 ; puis de 2013 à 2020 avec Vladimiro Tuselli un ex-commandant de navire.

En 2020 l’actrice est victime d'une hémorragie cérébrale qui l'avait beaucoup affaiblie et provoqué des crises d'épilepsie, et une deuxième attaque en juillet 2021. Elle a vécu un très long calvaire avant de s'éteindre dans une clinique romaine le 17 avril 2022.