Katy Marchant pratique dans sa jeunesse l'heptathlon. Elle représente la Grande-Bretagne lors de cette épreuve aux championnats du monde juniors 2012. Lors d'un entrainement, sa performance sur l'ergomètre est remarquée par Toni Minichiello, l'entraîneur de la championne olympique Jessica Ennis-Hill. Il la recommande à la Fédération britannique de cyclisme British Cycling. À ce moment, elle fait du vélo de loisirs sur un VTT et sur la route, mais n'a aucune expérience de la piste. Après une période d'essai de 6 semaines, elle est définitivement passée au cyclisme sur piste. En avril 2013, elle est acceptée dans le programme olympique de l'association. La même année, elle monte sur le podium dans plusieurs disciplines aux championnats de Grande-Bretagne sur piste.
En mars 2016, aux championnats du monde à domicile, elle prend la cinquième place 5e du 500 mètres et de la vitesse par équipes, ainsi que 14e de la vitesse individuelle. Durant l'été, elle est sélectionnée pour participer aux Jeux olympiques de Rio de Janeiro. Elle crée la surprise en atteignant les 1/2 finales du tournoi de vitesse et remporte finalement la médaille de bronze[1]. En 2018, elle participe aux Jeux du Commonwealth, où elle décroche le bronze en vitesse par équipes avec Lauren Bate. Elle est également double championne de Grande-Bretagne sur le 500 mètres et la vitesse. En 2019, elle remporte le keirin de la Coupe du monde de Glasgow. En août 2021, lors des Jeux olympiques de Tokyo, elle se classe sixième de la vitesse individuelle. Lors du keirin, elle chute avec Laurine van Riessen en quarts de finale et est éliminée[2].
Elle met en pause sa carrière pour donner naissance à son fils Arthur en juin 2022. En début d'année 2023, elle retrouve la compétition lors des championnats nationaux, puis des championnats d'Europe[3].