Stana Katic naît le 26 avril 1978 à Hamilton (Ontario, Canada), d'un père serbe et d'une mère croate, qui ont émigré au Canada du temps de l'ancienne Yougoslavie. Elle a quatre frères et une sœur et grandit avec eux à Aurora, dans l'Illinois. La jeune femme part suivre des études d'art dramatique à Chicago.
Elle commence sa carrière d'actrice en jouant de petits rôles dans diverses séries TV au début des années 2000. Les plus célèbres sont
Alias,
The Shield,
JAG,
The Closer et
Urgences. En 2006, elle apparaît dans trois épisodes de
24 heures chrono, participe à
Brothers & Sisters et l'année suivante elle à
Heroes,
Les Experts : Miami et
The Unit - Commando d'élite.
Au cinéma, on retrouve la comédienne dans
Quantum of Solace de Marc Foster, avec Daniel Craig, en 2008.
Stana Katic obtient le rôle principal de la série
Castle en 2009, aux côtés de Nathan Fillion. Elle interprète l'agent Beckett et forme avec l'acteur culte un duo particulièrement efficace.
Elle pratique de nombreux sports, tels que le football, le karaté ou le baseball et se passionne pour l'archéologie et le flamenco notamment.