Épouse de Claude Rich (1929-2017) et mère de la comédienne Delphine Rich, Catherine Rich débute au cinéma en 1962, dans La chambre ardente de Julien Duvivier. Elle ne tourne ensuite que six longs métrages où elle tient des seconds rôles. Les plus célèbres sont Les compagnons de la marguerite (1967) de Jean-Pierre Mocky, Capitaine Conan (1996) de Bertrand Tavernier et Bancs publics (Versailles Rive-droite) de Bruno Podalydès, sorti en 2009.
Catherine Rich est plus active au théâtre, où elle joue dans de nombreux spectacles de 1970 à 2016, collaborant avec Michel Fagadau, Pierre Mondy, Jacques Rosny, Andréas Voutsinas, Jérôme Savary… Elle est nommée à quatre reprises au Molière de la comédienne dans un second rôle ; et deux fois au Molière de la comédienne pour L’Homme du hasard (2001) de Yasmina Reza, mis en scène par Frédéric Bélier-Garcia au Théâtre de l’Atelier (2001) et Le Sénateur Fox de Luigi Lunari, mis en scène par Jean-Luc Tardieu au Théâtre de la Porte-Saint-Martin (2004).
Catherine Rich est également un visage familier du petit écran, Jeanne de Bourgogne dans Les rois maudits (1972) de Claude Barma, ou interprète d’autres séries et téléfilms dont Les cinq dernières minutes et Les grandes familles (1989) d’Édouard Molinaro. La comédienne est décédée le 17 janvier 2021 à l’âge de 88 ans.