Née en 1943 à Ambazac (Haute Vienne), Catherine Cesarsky a suivi des études de physique à l'Université de Buenos Aires. Elle intègre en 1966, l'Université de Harvard, où elle se consacre à la propagation des rayons cosmiques, dans le cadre de son doctorat en astronomie.

En 1971, elle entre à l'Institut de technologie de Californie (Caltech) puis revient en France en 1974 où elle rejoint le Service d'astrophysique du CEA. Elle contribue à faire du CEA, en quelques années, un pôle d'excellence mondial en astronomie des hautes énergies, mais aussi en astronomie infrarouge. Elle est nommée, en 1985, chef du Service d'astrophysique et est en même temps le principal responsable de la caméra ISOCAM, un des quatre instruments du satellite européen ISO. Son action conduit à des avancées importantes dans la compréhension de la formation des étoiles et de l'évolution des galaxies. En 1994, elle prend la tête de la Direction des sciences de la matière du CEA.

En 1999, Catherine Cesarsky devient Directrice générale de l'European Southern Observatory (ESO), l'organisation européenne pour les recherches astronomiques dans l'hémisphère sud. Sous sa direction, l'observatoire du Mont Paranal, avec le Very Large Telescope, devient le tout premier observatoire du monde. En huit ans, l'ESO passe de huit à treize pays membres.

En 2006, Catherine Cesarsky devient présidente de l'Union Astronomique Internationale après en avoir assuré la fonction de vice-présidente de 1997 à 2003.

Elle est élue depuis le 11 décembre 2007 à l'Académie des sciences française, dans la section sciences de l'univers. Elle est aujourd'hui membre de nombreuses autres institutions telles que l'Academia Europaea et l'International Academy of Astronautics, ainsi que membre étranger des prestigieuses National Academy of Sciences des Etats-Unis, Royal Society of London et Académie royale des sciences de Suède.

Elle a reçu en 2004, de François Fillon, l'insigne d'Officier de la Légion d'Honneur.