Caterina Murino comienza su carrera como modelo después de quedar en la cuarta posición en el certamen de Miss Italia 1996. Aspirante a actriz, participa en obras de teatro desde 1999, y debuta en la pequeña pantalla en 2002 en la serie ‘Don Matteo’ y en el telefilme ‘Il Giovane Casanova’.

En 2004, Caterina Murino consigue su primer papel importante en la comedia francesa ‘El archivo corso’, adaptación del cómic homónimo de René Pétillon. Mientras se une a Pascal Elbé y Jean Dujardin en ‘L'Amour aux trousses’ (2005). Un año después da el salto internacional y se convierte en chica Bond en ‘007: Casino Royale’, de Martin Campbell.