Formée au cours Florent, Catherine Jacob débute au cinéma en 1984, décrochant des petits rôles pour Schlöndorff, Annick Lanoë ou Jacques Deray. Le triomphe de la comédie culte La vie est un long fleuve tranquille (1988) d’Étienne Chatiliez marque un tremplin dans sa carrière. Son personnage de Marie-Thérèse, brave domestique célibataire tombée enceinte au grand dam de sa patronne, Mme Le Quesnoy, lui vaut le César du meilleur espoir féminin.
On la voit ensuite dans Les maris, les femmes, les amants (1989) de Pascal Thomas, avant qu’elle ne retrouve Chatiliez qui lui fait jouer la nièce bienveillante et coincée de Tatie Danielle (1990). Une composition réjouissante pour laquelle elle est nommée au César de la meilleure actrice dans un second rôle. Elle le sera aussi pour Merci la vie (1991) de Bertrand Blier et Neuf mois (1994) de Patrick Braoudé.
Catherine Jacob incarne souvent des rôles comiques de femmes frustrées, partagées entre l’introversion et l’excentricité, un emploi dont elle a du mal à se dégager. Parmi les nombreux titres de sa filmographie, on peut citer La soif de l’or (1993) de Gérard Oury, Les grands ducs (1996) de Patrice Leconte, J’ai faim !!! (2000) de Florence Quentin, ou Thelma, Louise et Chantal (2010) de Benoît Pétré. Quelques cinéastes lui ont permis de changer de registre, à l’instar de Gilles Marchand pour Qui a tué Bambi ? (2003) ou Lucas Belvaux avec Chez nous (2017), où elle campe une responsable politique d’extrême droite.