Née le 27 novembre 1951 à San Carlos, en Californie, Kathryn Bigelow étudie d'abord la peinture au San Francisco Art Institute avant de rejoindre le programme d'études indépendantes du Whitney Museum à New York. Elle poursuit ensuite des études théoriques sur le cinéma à l'université Columbia, dont elle sort diplômée en 1979 après avoir réalisé le court métrage The Set-Up. Elle cosigne et coréalise en 1981 son premier long métrage, The Loveless, avec Monty Montgomery, qui révèle l'acteur Willem Dafoe. Elle enchaîne avec Aux frontières de l'aube en 1987, Blue Steel en 1989, puis Point Break en 1991, thriller d'action mettant aux prises un agent du FBI et un gang de braqueurs surfeurs. Après Strange Days en 1995 et K-19 : le piège des profondeurs en 2002, elle réalise Démineurs en 2008, drame sur les artificiers américains pendant la guerre d'Irak, qui lui vaut l'Oscar de la meilleure réalisation en 2010, faisant d'elle la première femme distinguée dans cette catégorie. Elle poursuit sa collaboration avec le journaliste Mark Boal sur Zero Dark Thirty en 2012, consacré à la traque d'Oussama Ben Laden, puis sur Detroit en 2017, avant de revenir au cinéma en 2025 avec le thriller A House of Dynamite.
Kathryn Bigelow puise dans sa formation de peintre un sens plastique très affirmé de la composition et de la lumière, qu'elle transpose dans la mise en scène de séquences d'action d'une grande précision visuelle. Son passage par le programme d'études indépendantes du Whitney Museum, dans les années 1970, la met en contact avec l'avant-garde artistique new-yorkaise, dont l'influence se ressent dans l'esthétique de ses premiers films. Elle revendique un intérêt pour les zones de conflit et l'adrénaline extrême, nourri par sa collaboration de longue date avec le journaliste Mark Boal, dont les reportages ont directement inspiré Démineurs et Zero Dark Thirty. Son mariage, de courte durée, avec le réalisateur James Cameron, avec qui elle a coproduit certains de ses premiers films, a également marqué son entrée dans le cinéma de genre hollywoodien à gros budget.
La cinéaste est reconnue pour une mise en scène immersive et viscérale, qui plonge le spectateur au cœur de l'action grâce à des mouvements de caméra nerveux et un montage tendu. Elle évite volontiers tout discours moral explicite dans ses films de guerre, préférant explorer les mécanismes psychologiques de l'attraction pour le danger et l'adrénaline chez ses personnages. Son sens du réalisme documentaire, renforcé par le choix récurrent d'acteurs peu connus et de tournages en décors réels, confère à des films comme Démineurs une authenticité rare pour le genre du film de guerre. Elle sait également revisiter les codes de genres très différents, du fantastique au thriller de science-fiction en passant par le film de casse, sans jamais renoncer à cette signature de tension physique et psychologique.
Kathryn Bigelow est devenue en 2010 la première femme de l'histoire des Oscars à remporter la statuette de la meilleure réalisation, pour Démineurs, qui a également reçu l'Oscar du meilleur film. Le même film lui a valu le BAFTA du meilleur film et du meilleur réalisateur la même année. Elle a par ailleurs reçu un Emmy Award en tant que productrice exécutive du documentaire Cartel Land, diffusé sur Netflix. Zero Dark Thirty lui a valu de nouvelles nominations aux Oscars, confirmant la reconnaissance critique de sa collaboration avec le scénariste Mark Boal.
Le journaliste et scénariste Mark Boal constitue son collaborateur le plus constant depuis la série télévisée The Inside, jusqu'à Démineurs, Zero Dark Thirty et Detroit. James Cameron, son ex-mari, a coproduit certains de ses premiers longs métrages, dont Point Break et Strange Days. L'acteur Jeremy Renner, révélé par Démineurs, est devenu l'un des visages associés à son cinéma de guerre le plus acclamé.
Les conflits armés et la guerre, envisagés à travers l'expérience intime des soldats plutôt que par un discours géopolitique, occupent une place centrale dans sa filmographie la plus récente. L'attraction pour le danger et l'adrénaline, chez des personnages souvent masculins pris dans des situations extrêmes, structure aussi bien ses films de guerre que ses thrillers d'action des années 1990. La tension entre éthique personnelle et logique institutionnelle, notamment autour de la traque du terrorisme, irrigue Zero Dark Thirty et interroge les limites morales de l'action de l'État. Enfin, la violence sociale et raciale de l'Amérique contemporaine, abordée frontalement dans Detroit, prolonge cette exploration des zones de tension extrême propres à son cinéma.