Philippe Katerine s’intéresse très tôt à la musique et entame une carrière de chanteur dans les années 90, signant plusieurs albums, dont « Mes mauvaises fréquentations ». Plus tard, il compose des bandes originales de films pour Thierry Jousse, les frères Larrieu ou Anna Karina.
Il réalise un court-métrage en 2004, puis passe au format long avec le semi-documentaire Peau de cochon, en 2005.
Philippe Katerine débute un parcours d’acteur en 2002, avec une prédilection pour les projets décalés. On le voit notamment dans La Vérité sur Charlie (2002) de Jonathan Demme, Peindre ou faire l’amour (2005) d’Armand et Jean-Marie Larrieu, ou Les Regrets (2009) de Cédric Kahn.
Il incarne Boris Vian dans Gainsbourg, vie héroïque (2009) de Joann Sfar et Nijinsky dans Opium (2013) d’Arielle Dombasle, et a un rôle important dans Gaz de France (2015) de Benoit Forgeat, présenté à ACID.
Dans les années 2010, on le voit aussi dans Un beau soleil intérieur (2017) de Claire Denis, Le Monde est à toi (2018) de Romain Gavras, et Yves (2019) de Benoit Fargeat.
Philippe Katerine connait un succès personnel avec Le Grand Bain (2018) de Gilles Lellouche, qui lui vaut le César du meilleur acteur dans un second rôle.
Les producteurs tentent alors d’en faire une vedette comique, l’associant à Danny Boon dans Le Lion (2020) de Ludovic Colbeau-Justin, mais le film est un échec.
