Katherine McNamara nació en Kansas City, Missouri, hija única de Ursula y Evan McNamara. Creció en Lee’s Summit y desde muy pequeña se destacó en los estudios, recibiendo gran parte de su educación en casa.
A los catorce años obtuvo el diploma de secundaria y tres años después se graduó summa cum laude con una licenciatura en Administración de Empresas por la Universidad de Drexel. Años después ingresó a una maestría en economía aplicada en la Universidad Johns Hopkins (2017). Para impulsar su carrera, se trasladó a Los Ángeles en 2011.
McNamara comenzó su carrera profesional sobre los escenarios de Broadway, a la edad de 13 años. Previamente había trabajado en el cortometraje The bride & the groom (2007) y en 2008 protagonizó su primer largometraje Matchmaker Mary. Además, apareció sin acreditar en la cinta All roads lead home (2008), y pudo ser vista en los cortometrajes Get off my porch (2010) y The Nuclear Standard (2010). También interpretó a Emma Marsch en las películas Sam Steele and the Junior Detective Agency (2009) y Sam Steele and the Crystal Chalice (2011).
A la televisión llegó en 2011, al aparecer en uno de los episodios de La ley y el orden: UVE. Ese mismo año participó en las series Drop dead diva y 30 Rock, y también en New Year’s Eve, junto a Jessica Biel, Ashton Kutcher y Sarah Jessica Parker. Su primer papel recurrente lo obtuvo poco después interpretando a Claire en Wasabi Warriors (2012-13); al mismo tiempo que tenía pequeños roles en Glee (2012), Sketchy (2012) y Jessie (2013). Esta última era la serie protagonizada por Debby Ryan, Peyton List y Cameron Boyce, junto con Karan Brar y Skai Jackson.
Intervino además en las cintas para televisión Madison High (2012) y The Surgeon General (2013) y en el filme Contest (2013), donde interpretaba algunas canciones. En 2014 ganó reconocimiento interpretando a Harper en Happyland y en 2015, y además encarnó a Kat en The Fosters. También pudo ser vista en C.S.I y Workaholics, y fue la voz de Priscilla Pynch en Transformers: Rescue Bots, entre los años 2014 y 2016.
En cine, estrenó Maze Runner: The Scorch Trials en 2015, junto con Dylan O’Brien y Thomas Brodie-Sangster. Después participó en Indiscreción, Natural selection y Little savages. La fama le llegó, en 2016, cuando obtuvo el papel de Clary Fray en Freeform Shadowhunters. En seta serie, adaptación de la saga literaria de Cassandra Clare, es una poderosa cazadora de sombras que ha permanecido oculta en el mundo humano ignorando sus habilidades, hasta que se topa con Jace Wayland (Dominic Sherwood).
Por este trabajo recibió un People’s Choice Award a la actriz favorita en una serie de televisión (2018) y el Teen Choice Award en la categoría de Choice TV Actress: Fantasy/Sci-Fi (2019). Además, se unió al elenco de Arrow interpretando a Mia Smoak, la hija de Oliver Queen (Stephen Amell) y Felicity Smoak (Emily Bett Rickards), hasta 2020. También repitió papel en Maze Runner: the death cure (2018) y también interpretó a Mia en Supergirl (2019), The Flash (2019) y Batwoman (2019).
En 2020 trabajo en la serie Day by day y en la cinta de horror Kappa Kappa Die. Después interpretó a Julie Lawry en la serie de misterio Apocalipsis (2021) y apareció en la cinta Finding you.