Kathryn Bailey Beckinsale nació en Londres, hija del actor de televisión Richard Beckinsale y la actriz de teatro y televisión Jody Loe. Su padre falleció en 1979 a los 31 años de edad, cuando Beckinsale tenía sólo seis años. Tiene también una media-hermana mayor, Samantha Beckinsale, nacida del primer matrimonio de su padre, quien se desempeña también como actriz.

Realizó sus estudios escolares en su Londres natal, en el colegio Godolphin and Latymer. Una vez terminados los mismos, comenzó a actuar, al igual que hicieron sus padres, y acometió su profesión de manera gradual. En 1991 obtuvo su primer rol en la película televisiva One Against the Wind que trataba sobre la Segunda Guerra Mundial, y gracias al cual se dio a conocer en todo Inglaterra.

A continuación se fue a Oxford y comenzó a estudiar literatura francesa y rusa. Consideró que estudios universitarios de estas características serían más provechosos para su carrera de actriz que una escuela de interpretación.

Durante su primer año en Oxford, Beckinsale recibió una oferta para actuar en la película de Kenneth Branagh Much Ado About Nothing (Mucho ruido y pocas nueces), una adaptación de la comedia de Shakespeare. Con esta película se le abrieron las puertas para intervenir en otras, lo que hizo mientras seguía estudiando en la universidad.

El último año de sus estudios lo pasó en París para familiarizarse con la cultura francesa. Después abandonó la universidad y se concentró en su carrera de actriz.

Posteriormente obtuvo papeles en películas de bajo presupuesto, entre ellas: Shooting Fish, Alice trough the looking glass y The Last Days of Disco, ambas en 1998. También participó en la serie televisiva Cold Comfort Farm. Su primera aparición en películas estadounidenses fue Brokedown Palace en 1999, la cual no tuvo éxito comercial.

El éxito y el reconocimiento internacional llegaron en 2001 de la mano de Pearl Harbor. A la misma siguieron Serendipity en 2001, Underworld en 2003, Van Helsing en 2004 y El aviador, también en 2004.

En enero de 2006, Beckinsale actuó en Underworld: Evolution, la secuela del filme de 2003. Su siguiente rol destacado fue en la comedia Click, producida y coprotagonizada por Adam Sandler, en junio de 2006.

En el año 2007 protagonizó la película de terror Vacancy, junto a Luke Wilson.

En enero de 1999 Beckinsale dio a luz a Lily Mo Sheen, cuyo padre es Michael Sheen, quien en 2003 actuó junto a ella en Underworld.

Posteriormente la pareja se disolvió, y en mayo de 2004 Beckinsale se casó con Len Wiseman, el director de la mencionada Underworld.