Catarina Wallenstein iniciou o seu percurso artístico ainda criança, integrando o elenco de óperas infantis como Tosca, La Bohème, e Cármen.

A par da formação em canto lírico, que iniciou em 2002, ingressou no Atelier de Teatro do Liceu Francês onde participou nas peças Sonho de Uma Noite de Verão, de William Shakespeare e O Equívoco, de Albert Camus.

Fez o Curso de Teatro na Escola Superior de Teatro e Cinema de Lisboa, tendo terminado o mesmo no Conservatoire National Supérieur d’ Arts Dramatiques em Paris.
Integrou o elenco de projectos como Os Lobos, Après-Lui,  onde contracena com Catherine Deneuve e a série Conta-me como Foi para a RTP.

Vencedora do Globo de Ouro 2009 para a Melhor Actriz de Cinema, participou em filmes como Um Amor de Perdição, de Mário Barroso, A Vida Privada de Salazar de Jorge Queiroga e Singularidades de uma Rapariga Loira de Manoel de Oliveira.

Os seus mais recentes projectos são a curta-metragem U-Mya de Miguel Clara Vasconcelos e o O Livro do Desassossego de João Botelho.