Le 13 octobre 1967, Kate Walsh voit le jour à San José (Californie, USA). Elle grandit dans l'Arizona. La jeune fille affirme très tôt un fort caractère, et à l'âge de 14 ans, elle est virée de chez Burger King. Elle entre à l'université et fréquente régulièrement le théâtre local, avant de partir vivre à Chicago, où elle travaille au Piven Theatre Workshop.
Elle apparaît dans divers longs-métrages et séries TV à partir de la fin des années 90 et obtient un rôle récurrent dans la série
The Drew Carey Show en 1997. L'actrice continue son chemin sur le petit écran, participant à des séries telles que
New York police judiciaire,
Les Sauvages ou
Les Experts.
Elle déménage à New York en 2004 et en profite pour fouler les planches de Broadway dans plusieurs pièces. L'année suivante, elle rejoint la série médicale créée par Shonda Rhimes,
Grey's Anatomy, pour y incarner l'ex-femme de Derek, le docteur Addison Montgomery. Prévue au départ pour cinq épisodes, elle fait une telle impression que son personnage devient non seulement régulier, mais un spin-off est créé autour de lui en 2007, intitulé
Private Practice.
A côté de son activité de comédienne, Kate Walsh s'implique énormément pour aider les animaux domestiques à trouver des familles d'adoption. Elle est séparée depuis 2008 d'Alex Young, l'un des dirigeants de la 20th Century Fox.