Nel 2005 entra nel cast della serie TV "Grey's Anatomy", nel ruolo della dottoressa Isobel Stevens, che ricopre fino al 2010. La serie ottiene un enorme successo in tutto il mondo e, grazie ad essa, Katherine raggiunge la fama internazionale. Il successo di pubblico è accompagnato anche dal successo di critica, infatti l'attrice riceve una candidatura come miglior attrice non protagonista in una serie televisiva ai Golden Globe del 2007 e del 2008. Nel settembre 2007 vince, inoltre, il suo primo Emmy Award nella categoria miglior attrice non protagonista in una serie drammatica per il ruolo. Lascerà la serie nel 2010, per dedicarsi alla sua famiglia e alla carriera cinematografica.