Nascida em Reading, na Inglaterra, Kate veio de uma família ligada à arte de atuar. Seus pais, Roger e Sally Winslet, eram atores, e seus avós, Oliver e Linda Bridges, administradores de um teatro. Ligada a este mundo, Kate sempre foi fascinada por ele. Aos cinco anos fez sua primeira interpretação, como a Virgem Maria, e aos onze foi estudar teatro na Redroofs Theater School, um curso caro e de prestígio, presente da avó. Passou então a atuar no teatro (em peças como Peter Pan) e na televisão britânica.
Aos dezessete anos estreou no cinema em grande estilo: como a emocional Juliet Hulme em "Almas Gêmeas", do diretor Peter Jackson ("O Senhor dos Anéis"), que tornaria-se seu grande amigo. O caminho, porém, foi difícil e a escolha da personagem concorrida: Kate venceu 175 garotas que cobiçavam o papel. Também teve de viver sozinha na Nova Zelândia por quatro meses para as gravações. Mas sua atuação não decepcionou - foi bastante elogiada pela crítica, tida como uma das grandes promessas da nova geração e ganhou o Urso de Ouro de Melhor Atriz no Festival de Berlim.
Após sua fenomenal estréia, aceitou o papel de Princesa Sarah em um filme da Disney, "Um garoto na corte do Rei Arthur". A produção foi um fracasso e a própria atriz admitiu que o filme era mesmo muito ruim.
Em 1995, Emma Thompson estava produzindo uma versão para as telas de Razão e Sensibilidade, de Jane Austen. A princípio pensava-se em dar a Kate um papel pequeno como o de Lucy Steel, mas ela estava determinada a interpretar Marianne, a irmã emocional. Em conversas com Kate, Emma não teve dúvidas que ali estava a atriz que ela procurava. Winslet brilhou interpretando Marianne e recebeu sua primeira indicação ao Oscar por este papel, reafirmando sua posição de promessa da nova geração.

Kate estudava propostas de trabalho quando leu o roteiro de Titanic. Imediatamente, Winslet ligou para o diretor James Cameron afirmando ser ela a Rose que ele procurava. Cameron e a Fox estavam relutantes em dar o papel a Kate, visto que ela não era uma atriz suficientemente conhecida para estrelar a produção do filme de maior orçamento já criado na época. De acordo com ela, foi até hoje o mais difícil de sua carreira. A personagem era densa e exigia muito dela fisicamente. As filmagens duraram cerca de 9 meses e aconteceram em sua grande parte no México. Durante elas Kate conheceu seu co-star, Leonardo DiCaprio, que se tornaria o seu melhor amigo. Devido ao grande número de cenas embaixo da água (que estava em sua temperatura normal, extremamente fria), Kate contraiu pneumonia e teve de entrar com um processo na justiça para conseguir uma semana de descanso devido ao seu intenso desgaste físico.
Todavia, tudo haveria de ser recompensado. Lançado em 1997, o filme tornou-se um fenômeno, e deixou Kate conhecida no mundo todo pela interpretação como a jovem aristocrata noiva contra a vontade e que encontra o amor em Jack Dawson, um homem pobre, em meio ao naufrágio do navio Titanic. Kate recebeu sua segunda indicação ao Oscar (desta vez na categoria principal), e o filme, quatorze. "Titanic" levou 10 estatuetas. Ela não venceu, mas tornou-se imediatamente uma das atrizes mais requisitadas e famosas do planeta.
Após o sucesso estrondoso de Titanic, Kate recebeu diversas propostas para grandes produções, como "Shakespeare Apaixonado" e "Anna e o Rei", mas optou por atuar em um filme pequeno, "O Expresso de Marrakesh", de pouca distribuição mundial, de forma a descansar um pouco sua imagem. Foi durante as gravações deste que Kate conheceu o assistente de direção Jim Threapleton, com quem se casaria em novembro de 1998. Durante seu casamento com Jim, Kate atuou em uma série de pequenos filmes, como "Fogo Sagrado" e "Enigma". Ela estava grávida durante as gravações deste último, e em 12 de outubro de 2000 deu à luz sua primeira filha, Mia Honey Threapleton.
O casamento com Jim, entretanto, terminou em 2001. A separação foi anunciada pouco tempo após o lançamento do filme "Contos Proibidos do Marquês de Sade", onde Kate mostrou não ter medo da nudez. Em 2001 voltou a brilhar com o papel da jovem escritora Iris Murdoch em "Iris", que rendeu-lhe a segunda indicação ao Oscar de Melhor Atriz Coadjuvante, terceira no total. Foi na première deste filme que a atriz assumiu publicamente seu namoro com o diretor Sam Mendes, de "Beleza Americana".
Atuou em "A Vida de David Gale", "Em Busca da Terra do Nunca", com Johnny Depp, e "Brilho Eterno de uma Mente sem Lembranças", com uma personagem intrigante que lhe trouxe a quarta indicação ao Oscar. Durante as gravações deste filme, Kate soube que estava grávida pela segunda vez e logo se casou com o namorado Sam Mendes. Joe Alfie Winslet Mendes nasceu em 22 de dezembro de 2003.
Em 2005, Kate voltou ao gênero que a havia aclamado - o drama, vivendo uma mãe infeliz e infiel em "Pecados Íntimos". Kate foi indicada ao Oscar pela quinta vez. Em 2008 voltou a cena com duas produções: "Foi Apenas um Sonho", em que foi dirigida pelo marido Sam Mendes e contracenou pela primeira vez com Leonardo DiCaprio após "Titanic", vivendo uma esposa frustrada com o casamento e tentando salvá-lo e a ela mesma e "O Leitor", no papel de uma mulher no banco de réus acusada de crimes nazistas durante a Segunda Guerra Mundial e que se envolveu com um adolescente no passado. Devido à sua excelente interpretação em ambas as produções, 2009 acabaria se tornando o ano de prêmios para Kate Winslet: ela ganharia dois prêmios de atuação feminina do Globo de Ouro e receberia sua sexta indicação ao Oscar, ganhando-o pela primeira vez. O prêmio viria na categoria de Melhor Atriz, por sua atuação em "O Leitor".
Depois de um ano como este, Kate afastou-se um pouco das telas. Separou-se amigavelmente do diretor Sam Mendes em março de 2010, diferentemente do rompimento turbulento com Jim Threapleton. O casal continua se vendo e mantém conjunta a guarda das crianças (inclusive de Mia, filha do primeiro marido de Kate). Atualmente a atriz namora o modelo britânico Louis Dowler. Kate está gravando a minissérie Mildred Pierce e o filme Contagion. Ela tem a distinção de ser a unica atriz a ser indicada 05 vezes ao Oscar antes dos 31 anos.