Kate Mara est d'origines italiennes et irlandaises. Sa jeune soeur, Rooney Mara est elle aussi actrice. Elle commence sa carrière d'actrice dans sa ville natale, à Bedford. Elle est alors âgée de neuf ans.
Elle intègre ensuite la Tisch School of the Arts de l'Université de New-York, où elle étudie, entre autres, la comédie musicale. Elle décide de s'installer à New-York pour y faire carrière.
Son premier rôle à la télévision, elle l'obtient en 1997 pour la série New York, police judiciaire. Dès lors, elle participe à de nombreuses séries comme Ed, Madigan de père en fils, New York, unité spéciale, Everwood, Nip/Tuck, Cold Case : Affaires classées, Les Experts et Les Experts : Miami, 24 Heures chrono, Entourage, ...
En 2003, elle fait ses débuts au théâtre.
Sa carrière cinématographique commence quand à elle en 1999, face à Harrison Ford et Kristin Scott Thomas dans L'ombre d'un soupçon. En 2002, elle est à l'affiche de Séduction en mode mineur, avec Sigourney Weaver. Elle est ensuite en tête d'affiche du DTV Urban legend 3: Bloody Mary, en 2005. Cette même année, elle joue la fille d'Heath Ledger dans Le secret de Brokeback Mountain. Sa carrière prend alors un nouvel élan, Kate étant devenue une actrice bankable.
En 2006, elle joue une super-héroïne dans Zoom - l'académie des super-héros, puis on la retrouve dans le biopic de McG, We Are Marshall, toujours en 2006.
En 2007, elle joue la petite amie de Mark Wahlberg dans Shooter, tireur d'élite.
En 2008 sort le thriller Transsiberian, où elle incarne une mystérieuse voyageuse.
En 2010, elle fait un cameo dans Iron Man 2, puis part en randonnée pour 127 Heures. En 2011, elle se retrouve au temps des croisades dans Le Sang des templiers.