Au cinéma, Catherine Marchal a essentiellement tourné dans les films de son mari, Olivier Marchal. On a ainsi pu la voir dans Un bon flic, Gangsters, et 36, Quai des Orfèvres.
A la télévision, elle a joué dans les séries SOS 18, Confidences, et Premier suspect.
En 2008, elle renoue avec la caméra de son époux pour MR-73, aux côtés de Daniel Auteuil et Philippe Nahon. Elle joue à ses côtés en 2008 dans le film Diamant 13 de Gilles Béat.
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