輝かしいリリック・コロラトゥーラの声質によって有名で、とりわけジェームズ・レヴァインに気に入られ、宗教曲や歌曲、オペラの上演・録音で共演を重ねてきた。力強い声ではないものの、魔笛のパミーナやドン・ジョヴァンニのツェルリーナ、ニーベルングの指環の小鳥役のような、清純可憐な女性像に特に適した声である。レパートリーは幅広く、英語、ドイツ語、イタリア語、フランス語、スペイン語、ロシア語の歌曲を歌うことが出来る一方、美声に溺れて発音の正確さをないがしろにするとの批判もみられる。オペラでは、また、宗教曲、ジャズ、スピリチュアルもこなし、グラミー賞を5回受賞している。一方で、気難しく仕事相手にしにくいことでも有名で、声のイメージを覆すような数々の武勇伝を残している。往年のディーヴァを連想させる気性の激しさと気位の高さに加え、職員の酷使によって、ついにメトロポリタン歌劇場から締め出しを食い、レヴァインなどは、二度と共演を望まないと言って憚らない。しかしその後も演奏活動では活躍を続けており、アンドレ・プレヴィンと共演していくつかのアルバムを制作した。
日本では無名に近かったが、1986年夏から、ニッカウヰスキーのコマーシャルに「オンブラ・マイ・フ」を歌って出演したことで一躍有名になる。同コマーシャルは、オペラ演出でも名高い映画監督の実相寺昭雄が演出を担当した。翌1987年1月1日には同曲を収録したLP『オンブラ・マイ・フ/キャスリーン・バトル』(LP番号=K15C-4019)がキングレコードからリリースされ、3か月で公称25万枚を売り上げた。同年5月にはCD(CD番号=K30Y 235)も発売されている。当時の日本におけるクラシック音楽のレコードは1万枚で大ヒットとされ、短期間で数十万枚のヒットは異例であった。日本における累計売上では過去にイ・ムジチ合奏団の『四季』やヘルベルト・フォン・カラヤンの『運命／未完成』など『オンブラ・マイ・フ』を上回る大ヒットがあるものの、いずれも20年以上にわたり売れ続けたロングセラーである。コマーシャル関連のレーザーディスク「ディーバ～キャスリーン・バトルの歌声（創美企画/ディスク番号=SKL-1001）」と来日記念コンサートのレーザーディスクも、CMと同じく実相寺昭雄監督の撮影で収録された。1987年5月の初来日公演の入場券は発売後20分で完売した。
入団当初は王貞治監督のもとで1年目から主に中継ぎとして起用され、38試合に登板。9月5日の対広島戦（後楽園球場）で、山本浩二に単独3位となる通算505号本塁打を浴びている。その後、1987年8月9日の対中日戦（ナゴヤ球場）では、チームは近藤真一に初登板でノーヒットノーランを献上し、その際の負け投手となるなど、数年間は伸び悩んだ。監督に藤田元司が就任した1989年に先発要員としてシーズン後半から一軍に定着。先発としてプロ入り初完投・初完封を記録し、5勝をマークした。10月6日、対大洋戦では完封勝利を収め、リーグ優勝時の胴上げ投手となった。さらに1989年の日本シリーズ第7戦（藤井寺球場）では、先発・香田勲男の後を受けて6回裏からゲームセットまで投げ抜いてセーブ投手となり、日本シリーズ胴上げ投手にもなった。1990年には自身初の規定投球回数に到達し、自身初の2桁勝利となる自己最多の14勝、10完投を記録し、2年連続リーグ優勝時の胴上げ投手となった。1991年にも10勝をあげ、2年連続2桁勝利をあげたが、前年より防御率が改善されたにも関わらず貧打に悩むチーム事情が絡み、11敗と負け越した。1992年5月3日のヤクルト戦で広澤克実から、9月9日の大洋戦で代打の青山道雄から1年で2度満塁本塁打を打たれた。1993年に就任した長嶋茂雄監督のもとで、同年から翌1994年にかけては先発登板することもあったが、リリーフ起用も多かった（1994年の決勝打、登板のなかった10.8決戦関係）。しかし、1995年は先発5・6番手として、ローテの谷間を担い、7連勝を記録するなど復調を果たした。1996年は優勝決定試合の10月6日、対中日戦（ナゴヤ球場最後の公式戦）で先発したが、矢野輝弘に同点本塁打を浴びる等、早々と降板させられた。それでも、桑田真澄・槙原寛己らが故障で離脱した先発陣を支え、長嶋監督が命名した「レフティーズ」の一人として優勝に大きく貢献した。なお、同年には8年間結婚していた前妻と離婚。1女は宮本が引き取り、子育ての為に山口から両親を呼び寄せた。1997年には、6月17日のヤクルトスワローズ戦では延長戦で野手を使い切っていた状況を受けて代打起用（三振）されたりもしたが、開幕2日目に追突事故で頚椎を痛めた後遺症の影響もあり同年限りで現役引退を表明。同年9月28日の対中日戦（東京ドーム）が公式戦最終登板となり、9回表二死の場面での登板でレオ・ゴメスを抑えて有終の美を飾り、ナインから胴上げされ、勝利投手の先発バルビーノ・ガルベスとも握手した。1990年代の巨人の先発投手では貴重な左腕投手として活躍を続け、150km/h近い球威のある速球と大きく割れる縦のカーブとスライダー、チェンジアップを武器に5回のセントラル・リーグ優勝、及び2度の日本シリーズ優勝に貢献した。投手会長を長期に亘って歴任し、現役晩年には選手会長を務めるなどリーダーシップの高さには内外から定評があった。