Кейт Бекинсейл родилась в Лондоне в семье известных актёров Ричарда Бекинсейла и Джуди Лоу. Прадедушка актрисы был выходцем из Бирмы, и Кейт утверждает, что в детстве у неё была «азиатская внешность». У Кейт есть старшая сестра Саманта Бекинсейл, также актриса по профессии.
Будущая актриса выигрывала первые места в соревнованиях пишущей молодёжи, а после окончания школы в Лондоне пошла по стопам своих родителей и начала актёрскую карьеру.
Свою первую роль она сыграла в телевизионном фильме «Один против ветра» о Второй мировой войне, появившемся в эфире в далеком 1991 году. Кейт изучала русскую и французскую литературу в Оксфордском университете, хотя так и не получила учёную степень. Однако её знакомство с иностранными языками и литературой позволило ей расширить спектр своих ролей.
Во время первого года в Оксфорде Бекинсейл предложили роль в кинофильме Кеннета Браны «Много шума из ничего» по одноимённой пьесе Шекспира. Свой последний год учёбы Кейт провела в Париже, после чего решила уйти из университета и сосредоточиться на актёрской карьере. Впоследствии она сыграла в нескольких низкобюджетных картинах и продолжала играть в театре и на телевидении.
Среди ее фильмов были и дорогие американские, которые однако не имели признания у критиков: «Интуиция» (2001), «Другой мир» (2003) и «Ван Хельсинг» (2004). Также Кейт снялась в роли Авы Гарднер в фильме «Авиатор» (2004), получившем несколько «Золотых глобусов» и пять «Оскаров». Для этой роли Бекинсейл специально поправилась на 9 кг.
В 2002 году журнал Hello! назвал Кейт первой красавицей Англии, а в 2003 журнал Maxim дал ей 16 место в своём рейтинге «HOT 100».
В 2009 году журнал Esquire назвал актрису самой сексуальной женщиной из ныне живущих.
Кейт встречалась с валлийским актёром Майклом Шином, от которого у неё есть дочь Лили Мо Шин, родившаяся 31 января 1999 года, которая пошла по стопам матери и сыграла роль юной Селин в фильме «Другой мир: Эволюция» и еще в нескольких после.
В июне 2003 года, через несколько месяцев после расставания с Шином, Бекинсейл обручилась с режиссёром «Другого мира», Леном Уайзманом. Пара поженилась 9 мая 2004 года, но в 2015 году они расстались, а официально развод оформили только в ноябре 2019 года.