Katharina Müller-Elmau, geboren am 13. September 1965 in Göttingen als Tochter des Schauspielers Raidar Müller-Elmau, erhielt ihre Schauspielausbildung von ihrem Großvater Eberhard Müller-Elmau, der ebenfalls als Schauspieler und Regisseur vor allem fürs Theater arbeitete. Vor dem Beginn ihrer Schauspielkarriere gehörte sie als Drummerin der von ihr mitgegründeten Rockband "Freaky Fukin Weirdoz" an.

Ihr erstes Theaterengagement erhielt sie 1988 am Bayerischen Staatsschauspiels, wo sie bis 1997 in zahlreichen Inszenierungen klassischer und moderner Stücke auf der Bühne stand. Während dieser Zeit studierte sie Schauspiel und Gesang und komponierte die Musik für mehrere Inszenierungen des Münchner Residenztheaters. Nach ihrem Abschied vom Staatsschauspiel widmete Müller-Elmau sich einige Jahre ganz der von ihr gegründeten Swing-Band "Die blauen Engel": von 1997 bis 2001 gastierte die Band, deren Programme sie selbst schrieb, an einigen der wichtigsten deutschen Bühnen.

Ihr Debüt als Filmschauspielerin gab Katharina Müller-Elmau 1988 in Sönke Wortmanns HFF-Abschlussfilm "Drei D". Zwei Jahre später spielte sie in Wortmanns TV-Komödie "Eine Wahnsinnsehe" eine tragende Nebenrolle. Aber erst ab Mitte der 1990er Jahre stand Müller-Elmau regelmäßig vor den Kameras. In erster Linie wirkte sie in Fernsehproduktionen mit, darunter Anno Sauls "Blind Date - Flirt mit Folgen" (1997), Vivian Naefes "Eine ungehorsame Frau" (1998), Peter Gersinas "Mein Vater, seine Neue und ich" (2005) oder die Komödien "Die Verzauberung" (2007), an der Seite von Heio von Stetten und Christoph Waltz, und "Die Trödelqueen" (2011). Daneben spielte sie am Schauspielhaus Bochum (2001) und an den Hamburger Kammerspielen (2003) weiterhin Theater.

In Kinoproduktionen sah man Katharina Müller-Elmau bislang nur gelegentlich. Nach einer Hauptrolle in der Beziehungskomödie "Japaner sind die besseren Liebhaber" (1995) spielte sie Nebenrollen unter anderem in Joseph Vilsmaiers "Marlene" (2000) und Hans-Christian Schmids "Crazy". Nach ihrem Auftritt in Michael Gutmanns "Herz im Kopf" im Jahr 2001 legte sie eine mehrjährige Kinopause ein. Erst 2010 meldete sie sich mit einer prägnanten Nebenrolle in der Tragikomödie "Vincent will Meer" als Kinosschauspielerin zurück – und wurde für ihre Verkörperung einer Ärztin für psychisch labile Menschen prompt für den Deutschen Filmpreis nominiert.