Née à Cagliari le 15 septembre 1977, Caterina Murino a étudié le théâtre à l’atelier de théâtre de l’École de Cinéma et de Théâtre de Francesca De Sapio. Après de brefs débuts à la télévision en tant que présentatrice, elle a commencé à étudier le théâtre. Elle devient mannequin et ambassadrice de nombreuses campagnes publicitaires. Dino Risi la veut dans la fiction télévisée Le ragazze di Miss Italia (2000), qui sera suivie de Part time  d’Angelo Longoni (2000).

Elle tente, avec beaucoup de détermination et d’audace, de faire épanouir sa passion pour le jeu d’acteur en alternant théâtre et fiction (« Le jeune Casanova« , 2001 ; « Don Matteo« , 2001 ; « Pride« , 2003). Elle interprète sur scène « Ten Little Indians » d’Agatha Christie réalisé par Danilo Grezzi, qui l’a également mise en scène dans son « Riccardo III » (2003).

Ses débuts sur grand écran se font grâce au premier film de l’écrivain chilien Luis Sepulveda « Nowhere » (2001), celui-ci passe presque inaperçu en Italie, alors qu’en France le film rencontre un certain succès critique. L’année suivante, Caterina Murino revient sur les écrans français avec le film « L’enquête corse » (2002) avec Christian Clavier et Jean Reno dans lequel elle offre une excellente prestation. Le film fait d’elle une star au-delà des Alpes.

Suite au succès du film, Caterina reçoit de nombreuses propositions et après avoir partagé son temps entre l’Italie et la France, elle décide de s’installer définitivement à Paris.

En 2005, elle confirme son talent dans « Les Bronzés 3 – Amis pour la vie » avec Josiane Balasko. Mais c’est en 2006 qu’elle devient célèbre dans le monde entier en tant que nouvelle Bond Girl 007 aux côtés de Daniel Craig, dans le rôle de Solange dans « Casino Royale » (2006). Elle parcourt le monde pour promouvoir le film et à son retour elle tourne la comédie anglaise « St. Trinian’s» pour ensuite revenir en Italie avec « Non pensarci » de Gianni Zanasi. Toujours en Grande-Bretagne, en 2009, elle est au casting de « The Garden of Eden”, un film qui raconte la relation ambiguë et complexe entre un jeune écrivain à succès, sa charmante épouse rebelle et transgressive et l’autre femme, attirée par les deux. En arrière-fond, l’ombre d’un père aventureux et dominateur. Sexe et perdition dans la version cinématographique du roman du même nom d’Ernest Hemingway.

Belle et charmante, on la retrouve ensuite dans le rôle d’une femme prétendument adultère dans « Il seme della discordia » (2008) de Pappi Corsicato présenté au 65e Festival international du film de Venise, une comédie basée sur un roman de Heinrich von Kleist dans lequel elle tombe enceinte alors qu’elle son mari reçoit un diagnostic d’infertilité. Engagée sur de nombreux tournages entre le Canada et la France, elle sera ensuite au casting de « XIII – Le complot », de « Made in Italy », de « Twisted » et d’« Antigang », dans lequel elle joue aux côtés de Jean Reno. Caterina est mise en scène pour la BBC aux côtés de Rufus Sewell dans une adaptation de « Zen investigations » la mini-série télévision qui raconte les enquêtes d’Aurelio Zen, un brillant inspecteur de police qui travaille dans une Rome de carte postale, né de la plume de Michael Dibdin. Par la suite, elle tissera la toile en attendant son bien-aimé perdu dans la série de Stéphane Giusti « Le retour d’Ulysse ». Elle rentre en Italie et participe à la première œuvre du réalisateur sarde Cesare Furesi « Chi salverà le rose? », enchaîne avec la comédie « Bianco di Babbudoiu” et avec le dernier opus du réalisateur d’enquêtes Renzo Martinelli : « Ustica ». Actrice itinérante et polyvalente, Caterina ne connaît pas de limites dans lesquelles enfermer son talent, s’affirmant comme une excellente interprète chaque fois que l’occasion se présente.

Ainsi, en 2017, on la voit au casting de trois films, à savoir « Voice from the Stone » d’Eric D. Howell, et « Agadah » d’Alberto Rondalli. En 2018, elle incarne Benedetta dans le film « Se son rose “ de Leonardo Pieraccioni. L’année suivante elle est dans le film « Toute Ressemblance » de Michel Denisot (2019) et dans la série à succès française « Le Temps est assassin », également diffusée en Italie sur Canale 5 avec le titre « L’ora della verità ».

Depuis, Caterina a participé au tournage des séries françaises « Balthazar » et « La Maison d’en face ». Elle est également au cinéma avec le nouveau film d’Alex de la Iglesia « Veneciafrenia » et dans le nouveau film de Roberto Capucci produit par Lotus Film intitulé « My Brother My Sister ».