A Tennessee állambeli Memphisben született három lánytestvér közül a legfiatalabbként, egyik, Írországból kivándorolt őse Andrew Jackson elnök orvosa volt. Bár Kathleen néven anyakönyvezték, Kathynek vagy Katnek szólították, mert éppúgy, mint a macska, mindig a talpára esett. A dallasi Southern Methodist Egyetemen angol irodalmat tanult, majd hirtelen elhatározással drámaszakos lett. A diplomaosztó után New Yorkba költözött, de a nagyvárost gyűlölte, rövid időre ott is hagyta. Eleinte pénztárosként, pincérnőként tartotta fenn magát, a filmvásznon 1971-ben Milos Forman Elszakadás című komédiájának egyik nyúlfarknyi szerepében debütált. Színpadi áttörését a Vanities című darabnak köszönheti, amely három texasi lány felnőtté válását követi nyomon, alakítása 1976-ban osztatlan elismerést aratott.

Folyamatosan dolgozott, de karrierje döcögve haladt előre, ennek okát abban látta, hogy – mint ő maga fogalmazott – soha nem volt természetes szépség, mindig súlyproblémával küzdött. 1981-ben jelölték először Tony-díjra, és az évtized végére már egyre több kedvező kritikát kapott színpadi alakításaiért. A kamera előtt tévés szappanoperákban szerepelt, majd 1978-ban a Dustin Hoffman főszereplésével készült Próbaidőben láthatta a közönség, a színésszel később 1990-ben a Dick Tracy című gengszterfilmben is együtt játszott. Partnere biztatást jelentett számára, mint később mondta: „arra gondoltam, hogy ha Dustin Hoffmant, aki nem igazán szívtipró típus, főszerepekkel keresik meg, akkor a nők között akár még én is megtörhetem a jeget”.

Karakterszínészként kezdték emlegetni, szomorú, az átlagtól elütő, különös jellemek alakítására szakosodott, szinte tökélyre vitte a reménytelenség megjelenítését, talán azért, mert korai éveiben ő is hajlamos volt a depresszióra. Képes úgy összefonódni a karakterrel, hogy megtölti saját érzéseivel és tapasztalataival, nem azért játszik, hogy megnyerje a közönséget. Nem ijed meg saját érzéseitől, akármilyen kellemetlenek is azok, hanem elemzi és felhasználja őket szerepeiben. Az áttörést 1990 hozta meg számára, amikor a Dick Tracy mellett A nő nem felejt és A gyönyör rabjai című filmdrámákban szerepelt, és eljátszotta a Tortúra főszerepét is. A Stephen King regényéből készült thrillerben egy pszichopata ápolónőt alakított, aki megmenti és félreeső otthonában ápolja a hegyek között balesetet szenvedett kedvenc íróját. Amikor azonban kiderül, hogy annak új regénye nem az ő elképzelései szerint alakul, a férfi számára egy csapásra minden rémálommá változik. Bates jutalma a magányos, elkeseredett és megszállott karakter megformálásáért Oscar-díj és Golden Globe-díj lett a legjobb női főszereplő kategóriában. 

A következő évben a Sült zöld paradicsom című romantikus vígjátékban remekelt Jessica Tandy oldalán. Négy évvel később egy újabb Stephen King-adaptációban, a Dolores Clairborne-ban vállalta a címszerepet, majd 1997-ben James Cameron Titanic című monumentális filmeposzában a szüfrazsett Molly Brown bőrébe bújt. 1998-ban A nemzet színe-java című sztárparádés vígjátékban John Travolta, Emma Thompson és Billy Bob Thornton partnere volt, és a legjobb női mellékszereplő kategóriában Oscar-díjra jelölték. Harmadik jelölését 2002-ben gyűjtötte be a Schmidt története című vígjátékért, melynek másik főszerepét, a nyugdíjazott biztosítási ügynököt Jack Nicholson játszotta. Ezután számtalan vígjátékban játszott, főként anyaszerepekben. 2006-ban az Anyám nyakán című romantikus komédiában Sarah Jessica Parker és Matthew McConaughey oldalán brillírozott, majd a P.S. I Love Youban az özvegyen maradt Hilary Swank anyját alakította. A szív bajnokai című életrajzi drámában 2009-ben a fehér házaspár által örökbe fogadott, tehetséges, fekete bőrű futballista diák házitanítójának szerepét osztották rá. 

Az új évezredben számos sikeres tévésorozatban szerepelt, és két Emmy-díjat is nyert: az egyiket vendégszerepléséért a Két pasi meg egy kicsi című sorozat egyik 2012-es epizódjában, a másikat 2014-ben az Amerikai Horror Story című sorozatért. Bates, aki tévésorozatok epizódjainak rendezőjeként is letette névjegyét, jelenleg négy filmet is forgat. Még az idén a mozikba kerül a The Highwayman, a Bonnie és Clyde-történet új feldolgozása, valamint a Ruth Bader Ginsburg (az amerikai legfelsőbb bíróság második, 2006 és 2009 között az egyetlen női bírája) életéről készült dráma, Az egyenjogú nem, amelyben egy New York-i ügyvédet, politikai aktivistát alakít. A színésznőnél 2003-ban petefészekrákot, 2012-ben mellrákot diagnosztizáltak az orvosok, de ő elszántan vette fel a harcot, és mindkét esetben felülkerekedett betegségén. Számos jótékonysági kampányhoz adta nevét, és csillaga van a hollywoodi Hírességek sétányán.