Narodila se v Ivanhoe, na předměstí Melbourne v Austrálii jako dcera australské rodačky June a Roberta „Boba“ Blanchetta, který pocházel ze Spojených států. Když jí bylo 10 let, otec jí zemřel na infarkt myokardu. Má dva sourozence – její starší bratr Bob je inženýr počítačových systémů a její mladší sestra Genevieve pracovala jako divadelní výtvarnice.

Nejprve chodila do dívčí základní školy v Ivanhoe a poté vystudovala i dívčí gymnázium v Kew na předměstí Melbourne, kde objevila své zaujetí herectvím. Později studovala ekonomiku a výtvarná umění na Melbournské univerzitě. Když jí bylo 18 let, jela na dovolenou do Egypta. Jeden z hostů hotelu v Káhiře jí nabídl, zda nechce hrát kompars v jeho filmu. Vrátila se do Austrálie a přestěhovala se do Sydney, aby mohla studovat na Národním institutu dramatického umění. Ten absolvovala v roce 1992, čímž začala její kariéra herečky.

První velkou inscenací byla hra Davida Mameta Oleanna z roku 1993, kterou hrála spolu s Geoffrey Rushem a získala za ni ocenění kritiků sydneyských divadel za nejlepší debut. Také ztvárnila Ofélii ve hře Hamlet upravené podle Company B (režisérem byl Neil Armfield) v letech 1994 a 1995 a později v dalších televizních minisériích.

Jejím prvním mezinárodním filmem se stal Paradise Road z roku 1997, ve kterém hrála australskou zdravotní sestru zajatou japonskou armádou během 2. světové války. Její první hlavní rolí byla v témže roce adaptace Oscar and Lucinda, ve které hrála po boku Ralpha Fiennese. Za ni byla nominována na cenu Australské filmové asociace (AFI) za nejlepší hlavní ženský herecký výkon, ale cena jí o vlásek unikla. Stejně ale ve stejném roce získala cenu za nejlepší vedlejší ženský herecký výkon za roli Lizzie v romantické komedii Zaplaťpánbůh potkal Lizzie.

První velkou rolí se stala postava Alžběty I. ve filmu Královna Alžběta z roku 1998, který ji vynesl nominaci na Oscara za nejlepší herečku. Cenu nakonec nezískala, ale získala cenu Britské akademie filmových a televizních umění (BAFTA) a Zlatý glóbus za nejlepší herečku ve filmovém dramatu. O rok později byla nominována na další cenu BAFTA za vedlejší roli ve filmu Talentovaný pan Ripley. Již jako uznávaná herečka si získala další vlnu příznivců, když se objevila ve filmové trilogii Pán Prstenů režiséra Petera Jacksona jako elfská královna Galadriel.

V roce 2005 získala Oscara za nejlepší ženský vedlejší výkon za roli Katharine Hepburnové ve filmu Letec režiséra Martina Scorseseho. Cate tak byla první herečkou, která získala Oscara za ztvárnění jiného držitele této ceny.

V roce 2006 se objevila po boku Brada Pitta ve filmu Babel a ve filmu Zápisky o skandálu společně s Dame Judi Dench. Za tento poslední film získala Cate svoji třetí nominaci na Oscara.

V roce 2007 získala Volpi Cup za nejlepší herečku na Benátském filmovém festivalu a Zlatý glóbus za nejlepší ženský vedlejší výkon za ztvárnění jednoho ze šesti portrétů Boba Dylana ve filmu I’m Not There. Ve stejném roce také pokračovala ve své roli Alžběty I. V pokračování filmu Královna Alžběta pojmenovaném Královna Alžběta: Zlatý věk. Na příštím předávání Cen Akademie získala dvě nominace na Oscara, včetně ocenění za nejlepší ženský výkon ve filmu Královna Alžběta: Zlatý věk a za nejlepší ženský vedlejší výkon ve filmu I’m Not There, čímž se stala jedenáctým hercem/herečkou, který získal dvě nominace v jednom roce a zároveň prvním hercem/herečkou, který získal nominaci na Oskara za pokračování role.

V roce 2007 byla uvedena na seznamu sta nejvlivnějších lidí planety časopisu Time a také byla časopisem Forbes označena za jednu z nejúspěšnějších hereček. Její další rolí byla agentka KGB Dr. Irina Spalko ve filmu Indiana Jones a království křišťálové lebky a na konci tohoto roku se objeví ve filmu Podivuhodný případ Benjamina Buttona.

V lednu 2008 podepsala společně se svým manželem tříletou smlouvu se Sydney Theatre Company jakožto umělečtí režiséři. Kontrakty jim umožňují v každém roce tři měsíce volna, ve kterém mohou vykonávat vlastní, povětšinou herecké aktivity. Jejím režijním debutem v roce 2007 byla hra Blackbird (Kos v překladu) právě pro Sydney Theatre Company.

Dne 26. února 2008 byla jmenována členkou poroty, která nominuje účastníky Australského summitu 2020 Kevina Rudda. Byla jedinou ženskou členkou této poroty.