Nata il 25 settembre del '69 a Swansea, in Galles, da Dai Jones, proprietario di una fabbrica di dolciumi, e Pat Jones, Catherine Zeta-Jones manifesta sin dalla tenera età interesse e passione per il mondo dello spettacolo: insieme ad una piccola compagnia teatrale che faceva parte di un gruppo cattolico, inizia già a muovere i primi passi su un palcoscenico, e partecipa a rappresentazioni di celebri musical come Annie, Bugsy Malone e The Pajama Game. A quindici anni si trasferisce a Londra, dove sostituisce la protagonista di un musical che la notte del debutto aveva dato forfait per un malore: la sua interpretazione risulta talmente convincente che il ruolo da protagonista viene assegnato definitivamente a lei per tutte le repliche della rappresentazione.
Nei primi anni Novanta Catherine inizia a imporsi come attrice, e prende parte a The Darling Buds of May, una serie televisiva di grande successo, che la rende molto popolare al pubblico britannico. A quest'esperienza seguono altre partecipazioni a produzioni televisive, e meno fortunate apparizioni in film di scarso successo come Duca si nasce! accanto a Rick Moranis e Blue Juice con Ewan McGregor.
Nel 1996 il suo ruolo di Isabella Paradine della mini serie televisiva Titanic, diretta da Robert Lieberman, catturò l'attenzione di Steven Spielberg che la segnalò a Martin Campbell, regista de La maschera di Zorro, dove duetta con Antonio Banderas. Il film le permise di imporsi all'attenzione di un pubblico più vasto, e di ritagliarsi quindi un posto nello stardom hollywoodiano. Dopo altre partecipazioni in alcuni film - tra cui Entrapment con Sean Connery, il mediocre Haunting - Presenze, e le commedie Alta Fedeltà e I perfetti innamorati - Catherine viene nominata ai Golden Globe per la sua interpretazione della moglie di un boss della droga in Traffic, e vince il suo primo Oscar come Miglior attrice non protagonista per lo splendido musical di Rob Marshall Chicago.
Nel 1999 l'attrice ha sposato Michael Douglas, e successivamente gli ha dato anche due figli, Dylan Michael e Carys Zeta, tuttavia non ha interrotto la sua carriera e ha continuato a lavorare in film come la commedia dei fratelli Coen Prima ti sposo poi ti rovino, l'heist movie Ocean's Twelve e The Terminal del suo "padrino" Spielberg, dove interpreta un'affascinante hostess che farà innamorare il protagonista del film, impersonato da Tom Hanks.
Dopo aver rifiutato alcuni ruoli (come nel blockbuster Mr. & Mrs. Smith e nel musical Nine) ha visto diradare la sua attività cinematografica. Dopo il poco fortunato sequel The Legend of Zorro, di nuovo con Antonio Banderas, si trasforma in una scorbutica chef in Sapori e dissapori (remake del tedesco Ricette d'amore), nel biopic Houdini - L'ultimo mago dà filo da torcere al celebre illusionista, mentre torna alla commedia romantica con The Rebound - Ricomincio dall'amore, dove (nella finzione scenica, si intende) perde la testa per un giovane venticinquenne. Notevole e sottovalutata la sua partecipazione nel musical Rock of Ages dove recita anche Tom Cruise. Nel 2012 Gabriele Muccino la dirige in Quello che so sull'amore, mentre nel 2013 eccola in Effetti collaterali di Steven Soderbergh. In tv nel 2023 ha recitato ne Il misterio dei Templari – La serie. Il vero successo, però, lo ottiene a Broadway, dove per la sua interpretazione dell'attrice innamorata Desirée Armfeldt in A Little Night Music viene premiata con l'ambito Tony Award.
2003 Premio Miglior attrice non protagonista per Chicago
2003 Candidatura Migliore attrice protagonista (commedia o musical) per Chicago
2001 Candidatura Migliore attrice non protagonista per Traffic
2003 Premio Migliore attrice non protagonista per Chicago
1999 Candidatura Miglior rivelazione femminile per La maschera di Zorro
1999 Candidatura Miglior sequenza di combattimento per La maschera di Zorro
2003 Premio Migliore attrice non protagonista per Chicago
2003 Premio Miglior performance dell'intero cast per Chicago
2001 Premio Miglior performance dell'intero cast per Traffic
1999 Candidatura Miglior attrice per La maschera di Zorro
2013 Recitazione
2012 Recitazione
2013 Recitazione
2013 Recitazione
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