Kathryn Bigelow besetzte Kateb in ihrem 2012 erschienenen Film "Zero Dark Thirty" in der Rolle des Terroristen Ammar. Für seine Darstellung des Arztes Abdel in "Hippocrate" wurde Kateb 2015 mit einem César in der Kategorie Bester Nebendarsteller ausgezeichnet. Im selben Jahr erhielt er den Patrick-Dewaere-Preis, den bedeutendsten französischen Filmpreis für Nachwuchsschauspieler. Kateb spielte 2016 die männliche Hauptrolle in der Handke-Verfilmung "Die schönen Tage von Aranjuez" von Wim Wenders. Im Folgejahr eröffnete der französische Spielfilm "Django – Ein Leben für die Musik" von Étienne Comar die 67. Internationalen Filmfestspiele Berlin. Kateb verkörperte darin den Musiker Django Reinhardt, der als Mitbegründer des europäischen Jazz gilt. Im selben Jahr wurde er bei den 70. Internationalen Filmfestspielen von Cannes als Jurymitglied der Sektion "Un Certain Regard" benannt. Für seine Darstellung wurde Kateb 2018 für einen César in der Kategorie Bester Hauptdarsteller nominiert. Eine weitere Césarnominierung als Bester Hauptdarsteller folgte 2020 für seine Rolle des Malik in der Filmkomödie "Alles außer gewöhnlich" von Olivier Nakache und Éric Toledano, in der er an der Seite von Vincent Cassel einen Sozialarbeiter für besonders schwer erziehbare Kinder und Jugendliche mit Autismus spielte.