V 15-ti letech se odstěhovala z Walesu přímo do Londýna. V 17-ti letech hrála v Britské verzi muzikálu 42nd Street, kde si

Po nějaké době se rozhodla odstěhovat do Ameriky. Začala natáčet filmy jako "Christopher Columbus: The Discovery" (1992), "Splitting Heirs" (1993), "The Phantom" (1996) a televizní filmy "The Great" a "Titanic". Catherine Zeta-Jones se na mezinárodní úrovni proslavila díky roli Eleny ve filmu Zorro: Tajemná Tvář ("The Mask Of Zoro"), který se stal jedním z komerčně nejúspěšnějších filmů roku 1998 a který režíroval Martin Campbell a zahrála si v něm po boku Antonia Banderase. Následoval snímek Past "The Entrapment" , kde si zahrála spolu se Seanem Connerym. Od té doby je považována za nový sex symbol filmového plátna.

V roce 2005 si znovu zahrála po boku Antonia Banderase ve filmu režiséra Martina Campbella Legenda o Zorrovi, jehož příběh začíná deset let od okamžiku, kdy jsme hrdiny opustili na konci předchozího dobrodružství Zorro: Tajemná tvář. Alejandro (Banderas) a Elena (Catherine Zeta-Jones) se stali manžely a mají spolu 10letého syna Joaquina (Adrian Alonso). Přestože si Alejandro stále obléká masku Zorra, aby ochránil chudé a utlačované obyvatele kalifornského teritoria před hamižností tamějších vládců, musí se často rozhodovat mezi svým pocitem pro spravedlnost a touhou po normálním životě.
Zeta-Jones získala Oscara v kategorii nejlepší herečka ve vedlejší roli za ztvárnění vražedkyně Velmy Kelly v muzikálu Chicago, v němž si zahrála s Richardem Gerem, Renee Zellweger a Queen Latifah. Kromě toho byla nominována na Critic’s Choice Award, cenu BAFTA a cenu SAG.