Formée au Conservatoire national supérieur d'art dramatique, Catherine Hiegel intègre très vite la Comédie-Française. Elle y travaille avec des metteurs en scène aussi variés que Philippe Adrien, Bruno Bayen, Jean-Luc Boutté, Patrice Chéreau, Dario Fo, Joël Jouanneau, Jacques Lassalle, Jorge Lavelli, Jean-Paul Roussillon, Giorgio Strehler... dans le répertoire classique et contemporain (de Molière à Marivaux, de Goldoni à Gorki, de Luigi Pirandello à Jean Genet, de Berthold Brecht à Normand Chaurette).

Hors de la Comédie-Française, elle joue plusieurs fois au Théâtre national de la Colline, tout particulièrement dans des mises en scène de Jorge Lavelli (pièces de Copi, Noren ou Berkoff) et en 1998 , dans les Présidentes, de Werner Schwab, mise en scène de Marcela Salivarova-Bideau. Filmée à la télévision par Elie Chouraqui, Claire Devers ou Bernard Stora, elle tourne au cinéma dans la Vie est un long fleuve tranquille, d'Etienne Chatillez, Gazon Maudit, de Josiane Balasko, l'Autre cété de la mer, de Dominique Cabréra, l'Homme est une femme comme les autres, de Jean-Jacques Zilbermann ou Hygiène de l'assassin de François Ruggiéri.

En 1995, le film de Jean Douchet, la Servante aimante (la Serva amorosa), tourné d'après la mise en scène de Jacques Lassalle, marque les esprits. En tant que metteur en scène, elle présente deux pièces de Molière (le Misanthrope, les Femmes savantes) puis en 1996, la Demoiselle de la poste, d'Ewa Pokas, au Studio-Théâtre de la Comédie-Française. En 1999, elle monte George Dandin, de Molière, au Théâtre du Vieux Colombier, repris en 2000 Salle Richelieu. Pour ce théâtre, elle prépare cette saison une mise en scène de la pièce de Harold Pinter le Retour Salle Richelieu puis joue Toinette, dans le Malade imaginaire de Molière, mise en scène de Claude Stratz. A Théâtre Ouvert, en mars 2001, Catherine Hiegel sera dans la distribution de Anne Marie de Philippe Minyana, mis en scène par l'auteur.

Elle enseigne au Conservatoire depuis 1988. En 1998, elle dirige un atelier de troisième année, lAge d'Or, de Georges Feydeau, " comédie musicale ", comme l'appelait l'auteur, qui n'avait pas été reprise depuis sa création en 1905. En juin 1999, Catherine Hiegel dirige à nouveau un atelier de troisième année, réalisant une véritable création de la Bataille de Vienne, de l'Autrichien Peter Turrini, jamais représentée en France.

C'est en 1986 qu'elle fait ses premiers pas au cinéma dans L'Etat de grâce de Jacques Rouffio aux côtés de Nicole Garcia et Sami Frey.

L'année suivante, elle est réellement révélée au grand public pour son interprétation d'une infirmière inquiétante au côté de Daniel Gélin dans La Vie est un long fleuve tranquille (1987) d'Etienne Chatiliez.
Cette même année, elle tourne dans un long-métrage réalisé par Josiane Balasko, Les Keufs. Une collaboration qui est réitérée en 1991 avec Ma vie est un enfer.

On la voit également dans des fictions télévisuelles souvent historiques comme dans Une page d'amour d'Elie Chouraqui, Le Bourgeois gentilhomme de Pierre Badel, Maupassant de Claude Santelli.

En 1993, Jean-Jacques Zilbermann lui offre un rôle dans son premier long-métrage Tout le monde n'a pas eu la chance d'avoir des parents communistes. Elle collabore de nouveau avec le cinéaste dans L' Homme est une femme comme les autres (1998) après avoir retrouvé Josiane Balasko dans une comédie sur l'homosexualité, Gazon maudit (1995).

Souvent choisie pour interpréter des rôles sombres, la comédienne est au côté de Claude Brasseur dans le touchant L' Autre côté de la mer de Dominique Cabrera. S'en suit un film policier Hygiene de l'assassin de Francois Ruggieri. En 2002, Bertrand Blier lui propose d'incarner La Mort dans Les Côtelettes où elle partage l'affiche avec Philippe Noiret et Michel Bouquet.
Dans La Vie est à nous ! de Gérard Krawczyk, elle retrouve Josiane Balasko dans une comédie dramatique où elle interprète une tenancière d'un café restaurant. En 2008, elle est à l'affiche de Secret Défense de Philippe Haïm.

A noter qu'elle est la 458è sociétaire de la Comédie Française où elle entre le 1er février 1969. Elle y est sociétaire depuis le 1er janvier 1976.