De mère française, Kathy Baker fit d'abord des études de Français à l'université puis partit en France étudier la haute cuisine à l'école Cordon Bleu. En rentrant aux États-Unis où elle s'apprêtait à devenir chef pâtissier, elle eut envie de jouer la comédie. Elle apparut alors dans la pièce "The Man who killed the Buddha" et sa performance attira tout de suite l'attention du dramaturge Sam Shepard. Ce dernier l'a choisie pour tenir un rôle dans une de ses nouvelles pièces "Fool for love".
Au cinéma, Kathy Baker débute en 1983 dans L'Étoffe des héros de Philip Kaufman. Elle se fait singulièrement remarquer dans l'un des chef-d'oeuvres de Tim Burton, Edward aux mains d'argent, avant d'enchainer sur des films Jennifer 8. Elle a joué par ailleurs dans La prison de verre, thriller efficace de Daniel Sackheim, avec Leelee Sobieski, Diane Lane, Stellan Skarsgard et Bruce Dern, L'oeuvre de Dieu, la part du Diable de Lasse Hallström, pour lequel elle a été nommée au Screen Actors Guild Award de la meilleure interprétation d'ensemble avec les autres acteurs.