Née en Sardaigne (Italie) le 15 septembre 1977, Caterina Murino démarre sa carrière de mannequin en 1997, en arrivant 5e au concours de Miss Italie. À 18 ans elle quitte la Sardaigne et décroche un premier rôle sur les planches en 1999. En 2002, elle fait ses débuts à la télévision : on la retrouve dans la série "Un sacré détective", diffusée sur la RAI et dans le téléfilm "Le Jeune Casanova". En 2002, elle obtient son premier rôle sur grand écran dans "Nowhere", de Luis Sepulveda. Elle tourne ensuite dans "L'Enquête corse" (2004), dans lequel elle partage l'affiche avec Christian Clavier et Jean Reno. On la retrouve dans "Les Bronzés 3: Amis pour la vie", de Patrice Leconte (2005). Mais c'est son rôle de James Bond Girl dans "Casino Royale" (2006) qui la fait connaître du grand public. Caterina Murino tourne ensuite dans "Ciao Stefano" (2007), "St. Trinian's" (2007), "Le Grand Alibi" (2008), "Made in Italy" (2008), "The Garden of Eden" (2008), "Il seme della discordia" (2008), "Comme les cinq doigts de la main" (2010), "Die, le châtiment" (2010), "Équinoxe" (2011), "La Proie" (2011), "Stainless Steel" (2011), "Summer Night", "Winter Moon" (2012). En parallèle, l'actrice italienne poursuit sa carrière à la télévision. On l'a notamment vue dans "XIII : la Conspiration" (2008), "XIII : La Série" (2011), "Odysseus" (2012). Ambassadrice de bonne volonté de l'Association pour la médecine et la recherche en Afrique, Caterina Murino vit à Paris avec le joueur de rugby Pierre Rabadan.