Catherine Hiegel se forme auprès de Raymond Girard et Jacques Charon. Elle entre au Conservatoire national d’Art Dramatique, concours 1968, où elle suit les classes de Jean Marchat puis Lise Delamare. Elle entre à la Comédie Française le 1er février 1969 et devient sociétaire le 1er janvier 1976 puis Sociétaire honoraire le 1er janvier 2010. Avant 2000, elle a notamment été dirigée par Jean-Luc Boutte, Jean Piat, Jean Meyer, Jean-Paul Roussillon, Jorge Lavelli, Michel Fagadau, Patrice Chéreau et Patrice Kerbrat. Elle obtient à deux reprises le Prix du Syndicat de la Critique de la meilleure comédienne en 1989 pour La Veillée de Lars Norén, mise en scène Jorge Lavelli et en 2006 pour J’étais dans ma maison et j’attendais que la pluie vienne de Jean-Luc Lagarce, mise en scène Joël Jouanneau. En 2007, elle obtient le Molière de la meilleure comédienne dans un second rôle pour Le Retour au désert de Bernard-Marie Koltès, mise en scène Muriel Mayette et en 2007, celui de la meilleure comédienne pour La Mère de Florian Zeller, mise en scène Marcial Di Fonzo Bo. Sa mise en scène du Bourgeois Gentilhomme de Molière avec François Morel est joué au Théâtre de la Porte Saint-Martin dès janvier 2012.