1989年に当時のソビエト連邦レニングラードで生まれる。ドイツ系ロシア人の両親がカタリナ・ビットのファンだったため、ロシア風のエカテリーナではなくドイツ風のカタリナと名付けられる。アレクセイ・ミーシンのグループに所属し、2006年には世界ジュニア選手権と世界選手権のロシア代表となる。2008-2009シーズンにはグランプリシリーズに招待出場。ロシア選手権では3位。欧州選手権の出場枠は2つしか無かったが、1位のアデリナ・ソトニコワと2位のエリザベータ・トゥクタミシェワが年齢制限で出場できないために代表に選出された。大会では副鼻腔炎の治療のためのチューブを鼻につけながら演技を行い6位となり、4位に入ったアリョーナ・レオノワと共にロシアの出場枠を「3」に増やした。2009年春、ミーシンがエフゲニー・プルシェンコとエリザベータ・トゥクタミシェワらの指導に集中することを受けてCSKAモスクワへ移籍、2009-2010シーズンはスヴェトラーナ・ソコロフスカヤの指導を受ける。NRW杯やゴールデンスピンで初めてシニアクラス国際競技会の表彰台に立つものの、ロシア選手権では若手選手が台頭する中で9位に沈む。2010年3月、ペア転向を試み、サンクトペテルブルクへ戻りタマラ・モスクヴィナのもとでアレクサンドル・エンベルトのペアパートナーのトライアウトを行った。2010-2011シーズン、ペアと組んで初めての国際大会となったニース杯で優勝。ロシア選手権で優勝したタチアナ・ボロソジャル/マキシム・トランコフ組はボロソジャルのウクライナからの移籍後1年を経過していなかった。そのため大会出場の権利を保持しておらず、4位だったが欧州選手権の代表に選出され4位入賞。2011-2012シーズンのロシア選手権でも4位。2012-2013シーズンはスケートカナダに出場を予定していたが、靭帯を断裂し手術を行った。その影響でシーズン全ての試合を欠場した。2013-2014シーズンには試合に復帰して、ロンバルディアトロフィーで3位。ロシア選手権では7位。このシーズンをもってエンベルトとのペアを解散した。2014年7月12日、フランス人のブライアン・ジュベールと組むことが報道された。ジュベールとはエフゲニー・プルシェンコ主催のアイスショー『スノーキング』に共に出演した。2015年2月にはオレグ・ワシリエフとの師弟関係を解消。2015年4月には新たにアンドレイ・コシツィンとの練習を始めた。しかし9月23日に競技から引退し、コーチ業を始めることを発表した。
この番組のニュース映像はBS朝日で月 - 金曜日19:30 - 19:55の『News Access730』や同19:55 - 20:00に放送されていた『News Access』で再利用されていた。
『AbemaNews／スーパーJチャンネル』2016年4月11日よりインターネットテレビ局・「AbemaTV」内のニュースチャンネル『AbemaNews』にて、月曜 - 金曜の20:00 - 21:00、土曜の19:20 - 20:00に編集版を配信している。テレ朝チャンネル2での放送終了より約1年ぶりの時差番組再開となる。また、毎週土曜・日曜を中心に本番組が取材した1週間のニュースをダイジェスト化して不定期に配信している。
CS・CATVのテレ朝チャンネル2（旧:朝日ニュースター）では2015年3月31日（火）まで19:00 - 20:00に主に16:50 - 18:15の部分を短く編集（スポーツや芸能のニュース、天気などをカット）して時差放送していた。当時間帯にスポーツ中継が放送される場合は放送が休止となっていた。なお、前番組の『ステーションEYE』でも朝日ニュースターにおいて時差放送を行っていた。（詳しくはこちらを参照）年末年始は地上波放送は30分に短縮されるため、時差放送も19:30 - 20:00に短縮放送されていたが2012年度からは休止。
高校卒業後は、自らのカリキュラムに従い、必要な学問をそれぞれ最高水準の教授のもとで学ぶために、複数の大学で何年かずつ学んだという。作中で記されているだけでも、K大学文学部国文学科（「伊集院大介の青春」）、W大学文学部英文科（『優しい密室』）、京南大学法学部および西北大学文学部人文学科（『青の時代』）に在籍していたことが判っている。また、西北大学卒業後には海外の大学に留学を計画していた（『青の時代』）。この頃から名探偵としての才能を本格的に発揮し始め、キャンパス内での学生の転落死事件（「伊集院大介の青春」）、学生演劇の劇団で起こった連続殺人事件（『青の時代』）、教育実習生として赴いた女子高で起こった殺人事件（『優しい密室』）などを次々に解決へと導いた。警察からの信頼を受け始めたのもこの時代であり、ことに長野県警ではいくつかの難事件を解決した名探偵として、すでに名が通っていたという（『優しい密室』）。この頃、教育実習先の女子高の二年生として出会った森カオルが、のちに作家としてデビューし、伊集院大介の解決した事件を作品としてまとめるとともに、伊集院大介の初代ワトスン役をつとめることとなる。また、のちに二代目ワトスン役をつとめることとなる滝沢稔（当時九歳）と出会った時には、伊集院は大学院の学生であったという（「顔のない街」）。大学卒業後か在学中かは定かではないが、二十代で進学塾「伊集院進学教室」の経営を始め、自ら塾の教師をつとめるようになる。その際、その家に暮らす少年の講師として通っていた長唄の名門家元の一家で起きた連続殺人事件を解決へと導いた。この顛末を描いた作品『絃の聖域』が、伊集院大介シリーズの第一作となった。この事件を通して知り合った警視庁の山科正信警部補（当時）から、難事件についての相談を頻繁に受けるようになった彼は、まもなくして念願の「伊集院探偵事務所」を開設する。以後、数々の難事件を解決し、名探偵としての名声を急速に高めていく。この時期に解決した代表的な事件としては、九州地方の秘境の村・鬼家荘を舞台とした連続殺人事件（『鬼面の研究』）、東北地方に近い日本海側の秘境の村・松之原村を舞台とした殺人事件（『樹霊の塔』）がある。また、青年作家・栗本薫と恋人のアイドル歌手・朝吹麻衣子の周囲で起こった連続殺人事件の解決にも貢献した（『猫目石』）。