Nacida en Sardinis, Caterina Murino es conocida por el público Francés por sus papeles protagonistas en la comedia de Patrice Leconte, Les Bronzés 3: amis pour la vie, el lío de crímenes L’ Amour aux Trousses dirigida por Philippe de Chauveron y la comedia L’Enqûete Corse, co protagonizada por Jean Reno y dirigida por Alain Berbérian.

Caterina empezó su carrera en la actuación en anuncios publicitarios y estudió en la aclamada School of Cinema and Theatre, con la aclamada actriz Francesca de Sapio como profesora. Hizo su debut en el teatro en una producción de Agatha Christie "And Then There Were None" y apareció en muchas otras obras habladas en Italiano.

Su debut en cine en 2001, fue en la producción internacional Nowhere del escritor Chileno Luis Sepúlveda, protagonizada por Harvey Keitel.

Entre sus trabajos en la televisión Europea están "Des Jours et Des Nuits" dirigida por Thierry Chabert, "Orgoglio" dirigida por Giorgio Serafini y "In Der Mitte Deines Lebens" dirigida por Bernd Fischerauer. En 2005, protagonizó el drama Hispano/Argentino para televisión "Vientos de Agua" dirigido por Juan José Campanella, y la película Italiana Eleonora D’Arborea para el director Claver Salizzato.