Γεννήθηκε στις 17 Δεκεμβρίου του 1900 στον Πειραιά. Σπούδασε στο Ωδείο της Γενεύης, καθώς και σε σχολές του Βερολίνου και της Βιέννης. Πρωτοεμφανίστηκε στη Σκηνή του Δημοτικού Θεάτρου Πειραιά ως ηθοποιός του λυρικού θεάτρου, στην όπερα «Αδελφή Βεατρίκη» του Δημήτρη Μητρόπουλου.
Από το 1932 έως το 1940, εμφανίζεται στο Εθνικό Θέατρο, όπου ερμηνεύει ρόλους που την καταξιώνουν ως κορυφαία ηθοποιό της ελληνικής σκηνής. Με τη Σκηνή του Εθνικού Θεάτρου θα εμφανιστεί στο Λονδίνο, τη Φρανκφούρτη και το Βερολίνο, ερμηνεύοντας το ρόλο της Ηλέκτρας στο ομώνυμο έργο του Σοφοκλή, την Γερτρούδη στον «Άμλετ» του Σαίξπηρ, την Κυρία Άλβινγκ στους «Βρικόλακες» του Ίψεν. Την περίοδο του πολέμου εγκαθίσταται στις ΗΠΑ, όπου εμφανίζεται στο θέατρο Μπρόντγουεϊ και ερμηνεύει σπουδαίους ρόλους στον κινηματογράφο, με τους οποίους κερδίζει τη διεθνή αναγνώριση.
Το 1968 η Κατίνα Παξινού και ο Αλέξης Μινωτής, συγκροτούν θίασο που εμφανίζεται στο Θέατρο «Αυλαία» της Θεσσαλονίκης, και στο Θέατρο «Διάνα» της οδού Ιπποκράτους. Στο «Σινεάκ», το κινηματοθέατρο που αργότερα θα μετονομαστεί σε «Θέατρο Παξινού», παίζει στα έργα «Η Ήρα και το παγώνι» του Σον Ο' Κέιζι, «Οι παλαιστές» του Στρατή Καρρά, οι «Βρικόλακες» του Ίψεν, «Ματωμένος Γάμος» του Λόρκα, ενώ την περίοδο 1971 - 1972 ερμηνεύει στο Θέατρο «Πάνθεον», την τελευταία μεγάλη επιτυχία της, ως «Μάνα Κουράγιο» στο ομώνυμο έργο του Μπέρτολντ Μπρεχτ.
Στις κινηματογραφικές επιλογές της υπήρξε εκλεκτική, εξ ου και οι μόλις 11 ταινίες της. Μεταξύ άλλων, συνεργάστηκε με τον Όρσον Γουέλς («Ο κύριος Αρκάντον», 1955), τον Λουκίνο Βισκόντι («Ο Ρόκο και τ' αδέλφια του», 1960) και φυσικά τον Σαμ Γουντ της «Καμπάνας», όπου έπαιξε τη δυναμική αντάρτισσα του ισπανικού εμφυλίου που μπορούσε να προβλέπει το μέλλον. Για την ερμηνεία της στο έργο «Για ποιον χτυπά η καμπάνα», της απενεμήθη το 1944 το βραβείο Όσκαρ Β' Γυναικείου Ρόλου, ενώ το 1949 τιμήθηκε με το Βραβείο Κοκτώ στο Φεστιβάλ Μπιάριτς για την ερμηνεία της στην ταινία «Το πένθος ταιριάζει στην Ηλέκτρα».
Εκτός από τις αξέχαστες ερμηνείες της στο Θέατρο και τον κινηματογράφο, η Κατίνα Παξινού έκανε μεταφράσεις θεατρικών έργων του Ευγένιου Ο' Νιλ και έγραψε τη μουσική για την παράσταση «Οιδίπους Τύραννος» του Σοφοκλή, που ανέβασε το Εθνικό Θέατρο, σε σκηνοθεσία Φώτου Πολίτη το 1933 και σε σκηνοθεσία Αλέξη Μινωτή το 1952.
Παρασημοφορήθηκε με τον Χρυσό Ανώτερο Ταξιάρχη Γεωργίου Α' και με τον Ανώτερο Ταξιάρχη της Δυτικής Γερμανίας. Τιμήθηκε ακόμη με τον τίτλο της Αξιωματούχου Γραμμάτων και Τεχνών της Γαλλίας και με το Βραβείο «Ιζαμπέλλα Ντ' Εστέ».
Πέθανε στις 22 Φεβρουαρίου του 1973.
