او کوچکترین فرزند از پنج فرزند (چهار دختر و یک پسر) مارتین و جوزف هولمز است، مادرش خانه دار و پدرش وکیل بود. او از آکادمی نوتردام (یک دبیرستان دخترانه در تولدو که توسط موسسه خواهران تولدو حمایت مالی نمی شود) فارغ التحصیل شد. او در 14 سالگی در کلاس های مدلینگ در تولدو شرکت کرد و بعد از آن در سال 1996 در مسابقه بین المللی مدلینگ و استعدادیابی در نیویورک شرکت کرد. سپس در دانشگاه کلمبیا پذیرفته شد هرچند پدر هولمز خواستار این بود تا دخترش یک پزشک بشود. با وجود موفقیت در مدرسه مدلینگ، علاقه ای به مدل شدن نداشت، به همین دلیل در سن 17 سالگی برای تست بازیگری به لوس آنجلس رفت و در دومین آزمون، توسط یک استعداد یاب کشف شده و برای بازی در نقش اصلی فیلم «طوفان یخ» انتخاب و به دنیای بازیگری و سینما راه پیدا کرد.

در ژانویه 1997 به لوس آنجلس نقل مکان کرد تا در فیلم «طوفان یخ» (1998) به کارگردانی آنگ لی بازی کند. این اولین فیلم حرفه‌ای او به شمار می رود. کیتی هولمز در آوریل 2005 با تام کروز آشنا شد، آنها هفت هفته بعد با هم نامزد کرده و در 18 آوریل 2006 صاحب دختری به نام سوری کروز شدند. مراسم ازدواج کیتی و کروز در تاریخ 18 نوامبر 2006 در یک قلعه تاریخی در ایتالیا برگزار شد. نامزدی و ازدواج با تام کروز تاثیر زیادی در شهرت کیتی هولمز داشت اما ازدواج آنها دوام چندانی نیافت و در سال 2012 از هم جدا شدند. هولمز بعد از ازدواج با تام کروز با مذهب ساینتولوژی آشنا شد اما بعد از طلاق، مجددا به عقاید کاتولیک خود بازگشت.