Pintora antes de embarcar na aventura cinematográfica, Kathryn Bigelow fez cursos no San Francisco Art Institute por dois anos e depois recebeu uma bolsa do Whitney Museum de Nova York. Integrante do coletivo de vanguarda Art and Language e formada pela Columbia Film School, a jovem fez seu primeiro longa-metragem em 1982, The Loveless, em colaboração com Monty Montgomery.

Apenas cinco anos depois, a cineasta se destacou com Quando Chega a Escuridão, uma modernização radical do mito do vampiro para o qual ela mesma escreveu o roteiro. Em 1990, Kathryn Bigelow continuou com o thriller policial Jogo Perverso e se firmou como referência no cinema de ação com Caçadores de Emoção, lançado em 1991. Após dirigir a minissérie Wild Palms, voltou ao cinema com o filme de antecipação de filmes Estranhos Prazeres (1995), escrito por James Cameron, que foi seu marido de 1989 a 1991.

Cinco anos se passaram antes que ela se voltasse para uma trama mais intimista com O Peso da Água, filmado em 2000. Mas o filme só foi lançado na França em julho de 2002, quase ao mesmo tempo que K-19: The Widowmaker fez dois anos depois. Depois desta longa-metragem, baseada na história verídica de um submarino nuclear soviético naufragado, Kathryn Bigelow continua em 2009 no registo de guerra com os Guerra ao Terror, acompanhando os soldados americanos durante a segunda ofensiva no Iraque.

Este filme marca a consagração da realizadora que recebe seis Óscares, incluindo os de melhor filme e melhor diretor. Guerra ao Terror também é o filme mais aclamado e coroado de 2010, com nada menos que 75 prêmios internacionais. Em 2012, a diretora ficou com o tema da guerra e do Oriente Médio com A Hora Mais Escura. Para isso, ela une forças novamente com o roteirista Mark Boal e aborda um assunto mais ambicioso: a caça a Osama Bin Laden por uma unidade das forças especiais americanas...

5 anos depois, ainda em colaboração com Mark Boal para o roteiro, o cineasta dirige Detroit em Rebelião. O filme se concentra nos motins mortais que ocorreram nesta cidade de Michigan durante o verão de 1967.