Kathryn Ann Bigelow nasce a San Carlos, in California, nel 1951.
Dopo il liceo l'amore per l'arte la porta a iscriversi al San Francisco Art Institute e successivamente, grazie a una borsa di studio, all'Independent Study Program del Whitney Museum di New York: città determinante per il passaggio dalla pittura al cinema. Nella Grande Mela, infatti, il contatto con il gruppo culturale "Art & Language" e con personalità come Richard Serra e Susan Sontag si rivela fondamentale, ma sarà in particolare l'artista Vito Acconci a spingerla per primo verso la regia.
Realizzato nel 1979, il cortometraggio d'esordio, Set-up, viene presentato e accolto positivamente in molti festival e rassegne artistiche. Al successo di questo primo lavoro seguono anni di numerose esperienze: dagli studi alla Columbia University, dove la Bigelow segue, tra gli altri, il corso di Milos Forman, alla collaborazione con la rivista di semiotica "Semiotexte".
Nel 1982 gira il suo primo lungometraggio, The Loveless, che vede nei panni di protagonista un esordiente Willem Dafoe, mentre l'anno successivo uscirà dai circuiti indipendenti per cominciare la sua collaborazione come sceneggiatrice alla Universal.
Il secondo lungometraggio, Near Dark - Il buio si avvicina (1987), è un'affascinante rielaborazione, tra scenari western e ritmi da action movie, del tema dei vampiri; il film viene accolto positivamente e addirittura inserito nella collezione permanete del MOMA di New York.
Tuttavia, il suo successo non consente alla regista di portare immediatamente avanti il nuovo progetto; il soggetto piace ai produttori, ma non convince l'idea di un thriller con una protagonista femminile nei panni di un poliziotto (poi interpretato da una magnifica Jamie Lee Curtis), per questa ragione Blue Steel - Bersaglio mortale verrà realizzato solo nel 1990 grazie all'interessamento e al contributo di Oliver Stone.
Point break, Punto di rottura (1991), film ormai di culto, che evidenzia perfettamente le capacità stilistiche della Bigelow, determina la definitiva affermazione della regista al grande pubblico, e segna anche l'inizio della collaborazione col marito James Cameron, sceneggiatore del film successivo, il noir filosofico-fantascientifico Strange days, che richiederà alla coppia ben quattro anni di lavorazione.
Finito il matrimonio con Cameron e falliti i progetti per Company Of Angels, un film dedicato alla storia di Giovanna D'Arco che verrà poi realizzato da Luc Besson nel 1999, seguono cinque anni di silenzio prima dell'uscita di Il mistero dell'acqua, ottimo thriller interpretato da Catherine McCormack, Sarah Polley e Sean Penn. Uno dei suoi titoli migliori è purtroppo seguito da quello che è senza dubbio il film meno riuscito della Bigelow, K-19, che si distingue tra l' altro per una pessima distribuzione nelle sale italiane, tagliato (ma solo in alcune città) di oltre 20 minuti. Quest'ultima pellicola, ambientata negli anni della guerra fredda all'interno di un sottomarino russo, è tratta da una storia vera e risente, soprattutto, del peso di una produzione evidentemente opprimente per le potenzialità dello stile della regista.
Dopo l'insuccesso di K-19, la Bigelow si è dedicata alla regia di un mediocre episodio ("He was a Friend of Mine") della serie televisiva americana Karen Sisco e, nel 2006, alla realizzazione di un cortometraggio commissionato dalla Pirelli, Mission: zero, interpretato da Uma Thurman.
L'occasione del riscatto arriva, tuttavia, nel 2008 con un nuovo lungometraggio, The Hurt Locker, in cui la regista elabora temi da sempre a lei cari, come la riflessione sulla dipendenza delle droghe, e le traspone nel contesto del conflitto iracheno. Girato con un budget ridotto e avvalendosi della tecnologia digitale, il film segue, con strettissime inquadrature ravvicinate e l'impiego della macchina a mano, le vicende di un gruppo di soldati statunitensi, divenuti talmente ossessionati dall'adrenalina causata dalla guerriglia, da non essere in grado più di riprendere un'esistenza normale.
Passato praticamente inosservato nelle sale, The Hurt Locker ha incominciato a destare l'attenzione della critica internazionale durante la presentazione al Festival di Venezia, e in seguito anche di quella americana, che lo ha insignito del Directors Guild of America. Si è trasformato, così, il titolo sorpresa della notte degli Oscar 2010, che ha sottratto le statuette per il miglior film e per la miglior regia al diretto concorrente Avatar, dell'ex marito James Cameron.
2013 Candidatura Miglior film per Zero Dark Thirty
2010 Premio Miglior regia per The Hurt Locker
2010 Premio Miglior film per The Hurt Locker
2013 Candidatura Migliore regia per Zero Dark Thirty
2010 Candidatura Migliore regia per The Hurt Locker
2013 Candidatura Migliore regista per Zero Dark Thirty
2013 Candidatura Miglior film per Zero Dark Thirty
2010 Premio Miglior film per The Hurt Locker
2010 Premio Migliore regista per The Hurt Locker
2014 Candidatura Miglior Regista per Zero Dark Thirty
2017 Regia, Produzione
2012 Regia, Produzione
2008 Regia, Soggetto, Produzione
2002 Regia, Produzione
Netflix ha annunciato che la regista Kathryn Bigelow realizzerà per la piattaforma di streaming un nuovo film, di cui non sono stati svelati i dettagli.
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Nel 2012 Zero Dark Thirty ricostruiva un decennio di indagini sulle tracce di Osama bin Laden assumendo la prospettiva decisa e implacabile del personaggio di Jessica Chastain.
Kathryn Bigelow tornerà alla regia con il film Aurora, un progetto Netflix tratto dal romanzo scritto da David Koepp.