Catherine Hiegel est engagée comme pensionnaire à la Comédie-Française le 1er février 1969 et nommée 458e sociétaire le 1er janvier 1976.

Après avoir suivi les cours de Raymond Girard et de Jacques Charon, elle est reçue en 1968 au Conservatoire national supérieur d'art dramatique, elle y parfait sa formation de comédienne dans les classes de Jean Marchat et de Lise Delamare.

Durant la saison 2007/2008, elle joue dans Une confrérie de farceurs, dirigée par Jean-Louis Hourdin et François Chattot, puis interprète le rôle de Magdelon dans Les Précieuses ridicules, dirigée par Dan Jemmet. En 2007, elle jouait Toinette dans Le Malade imaginaire de Molière, dirigée par Claude Stratz, Donna Pasqua La Finaude dans Il campiello, de Goldoni, dirigée par Jacques Lassalle et Marthe dans Le Retour au désert de Koltès, dirigée par Muriel Mayette-Holtz.

Au cours de sa carrière à la Comédie-Française, elle joue de grands rôles du répertoire classique et contemporain, explorant toute la gamme de la condition féminine, notamment des héroïnes de Molière – Angélique dans George Dandin et Martine dans Le Médecin malgré lui –, des héroïnes de Goldoni – Brigida dans La Trilogie de la villégiature, Mirandoline dans La Locandiera et Coraline dans La Serva amorosa –, mais aussi Varvara dans Les Estivants de Gorki, Éléonore d’Este dans Torquato Tasso de Goethe, Laura dans Père de Strindberg, Solange dans Les Bonnes de Genet ou encore Mère courage dans Mère courage et ses enfants de Brecht.
Au cours des années 2000, elle interprète notamment Tita Bordereau dans Les Papiers d'Aspern d'Henry James, la Femme dans Homebody/Kabul de Tony Kushner, la jeune Femme dans Savannah Bay de Marguerite Duras, Carlotta dans Embrasser les ombres de Lars Norén, Dorine dans Le Tartuffe de Molière ou encore la Femme à la natte dans La Maison des morts de Philippe Minyana.
À la Comédie-Française ou à l’extérieur, elle a travaillé avec Jacques Lassalle, Jorge Lavelli, Jean-Paul Roussillon, Giorgio Strehler, Bruno Bayen, Dario Fo, Patrice Kerbrat, Philippe Adrien, Joël Jouanneau, Patrice Chéreau, Éric Vigner, Marcel Bozonnet, Robert Cantarella et Marcella Salivarova… Elle a signé plusieurs mises en scène à la Comédie-Française dont L'Avare avec Serge Bagdassarian, Les Femmes savantes et George Dandin de Molière, La Demoiselle de la poste d’Ewa Pokas et Le Retour d’Harold Pinter.
Hors Comédie-Française, elle a joué dans J'étais dans ma maison et j'attendais que la pluie vienne de Jean-Luc Lagarce mis en scène par Joël Jouanneau, mais aussi dans de nombreuses autres pièces, comme Quai Ouest de Koltès mis en scène par Patrice Chéreau, Une visite inopportune de Copi, La Veillée de Lars Norén, Greek de Berkoff, Arloc de Serge Kribus ou Les Présidentes de Werner Schwab.

Au cinéma, le public a pu la voir dans Michou d'Auber de Thomas Gilou, La Vie est à nous de Gérard Krawczyk et Les Côtelettes de Bertrand Blier. Elle a par ailleurs travaillé avec Étienne Chatilliez, Josiane Balasko, Dominique Cabrera et Jean-Jacques Zilbermann. À la télévision, on l’a vue notamment dans Le Bal de Jean-Louis Benoit et L’Homme qui a perdu son ombre de Cravenne.

Elle a été plusieurs fois nommée aux Molières, notamment en 2007 comme meilleur second rôle pour son interprétation de Marthe dans Le Retour au désert. En 2005, elle a reçu le prix du Syndicat de la critique comme meilleure comédienne pour J'étais dans ma maison et j'attendais que la pluie vienne.
Catherine Hiegel a quitté la troupe le 31 décembre 2009.