Kathryn Bigelow ist das einzige Kind einer Bibliothekarin und eines Farbenfabrikmanagers. Sie studierte zunächst zwei Jahre lang am San Francisco Art Institute, bevor sie 1971 ein Stipendium des renommierten Studienprogramms des Whitney Museums of American Art erhielt und nach New York zog. Sie war zeitweise Mitglied der Avantgarde-KünstlergruppeArt & Language. An der Columbia University studierte sie Film. Als Abschlussarbeit drehte sie dort 1978 den zwanzigminütigen Kurzfilm The Set-Up.
1982 folgte ihr erster, gemeinsam mit Monty Montgomery realisierter Langfilm, das Bikerdrama The Loveless mit Willem Dafoe in der Hauptrolle. 1983 übernahm sie eine Hauptrolle in Lizzie Bordens feministischem Science-Fiction-Film Born in Flames. Bigelows nächste Regiearbeit, das düstere Vampirdrama Near Dark, wurde im September 1987 auf dem Toronto Film Festival uraufgeführt. Im Anschluss drehte Bigelow ein Musikvideo für die Band New Order (Touched by the Hand of God) und übernahm eine Rolle als Bikerin in James Camerons Musikvideo für Bill Paxtons Band Martini Ranch.
Nach Tödliches Kommando – The Hurt Locker folgte eine erneute Zusammenarbeit mit Mark Boal an dem Spielfilm Zero Dark Thirty (2012). Der Thriller, der eine junge CIA-Analytikerin (dargestellt von Jessica Chastain) auf der Jagd nach Osama bin Laden in den Mittelpunkt stellt, startete am 19. Dezember 2012 in den US-amerikanischen Kinos und brachte Bigelow nach 2009 abermals den New York Film Critics Circle Award für Film und Regie sowie den National Board of Review Award in den gleichen Kategorien ein.
Bigelow ist eine von wenigen Action-Regisseurinnen.
Von 1989 bis 1991 war sie mit James Cameron verheiratet, der auch das Drehbuch für ihren Film Strange Days (1995) schrieb.
