Η Αικατερίνη Κωνσταντοπούλου, όπως ήταν το πατρικό της επώνυμο, γεννήθηκε στις 17 Δεκεμβρίου 1900 στον Πειραιά και ήταν κόρη του αλευροβιομήχανου Βασίλη Κωνσταντόπουλου. Σπούδασε μουσική και κλασικό τραγούδι στο Ωδείο της Γενεύης, καθώς και σε ανάλογες σχολές του Βερολίνου και της Βιέννης. Πρωτοεμφανίστηκε στη Σκηνή του Δημοτικού Θεάτρου Πειραιά το 1920, ερμηνεύοντας τον βασικό ρόλο στην όπερα «Αδελφή Βεατρίκη» του Δημήτρη Μητρόπουλου. Είχε ήδη παντρευτεί τον βιομήχανο Γιάννη Παξινό, με τον οποίο απέκτησε δύο κόρες, η μία εκ των οποίων πέθανε σε πολύ μικρή ηλικία.
Οι προσπάθειές της για καριέρα στον χώρο του λυρικού θεάτρου δεν θα ευοδωθούν και έτσι το 1929 εμφανίζεται για πρώτη φορά στο θέατρο πρόζας ως μέλος του θιάσου της Μαρίκας Κοτοπούλη, παίζοντας στο έργο του Ανρί Μπατάιγ «Η Γυμνή Γυναίκα». Εκεί γνωρίζει τον Αλέξη Μινωτή, τον ερωτεύεται και τον παντρεύεται, έχοντας χωρίσει με τον Παξινό, του οποίου θα κρατήσει το επίθετο για το υπόλοιπο της καλλιτεχνικής της πορείας.
Το 1931, προσχωρεί μαζί με τον Αλέξη Μινωτή, στον «Συνεταιρικό Θίασο» του Αιμίλιου Βεάκη, που παρουσιάζει σημαντικά έργα του διεθνούς ρεπερτορίου, όπως: «Πόθοι κάτω από τις λεύκες» του Ευγένιου Ο' Νιλ, «Ο Πατέρας του Αυγούστου» του Στρίνμπεργκ, «Ο θείος Βάνιας» του Τσέχωφ. Από το 1932 έως το 1940, εμφανίζεται στο Εθνικό Θέατρο, όπου ερμηνεύει ρόλους που την καταξιώνουν ως κορυφαία ηθοποιό της ελληνικής σκηνής.
Με τη Σκηνή του Εθνικού Θεάτρου θα εμφανιστεί στο Λονδίνο, τη Φρανκφούρτη και το Βερολίνο, ερμηνεύοντας το ρόλο της «Ηλέκτρας» στο ομώνυμο έργο του Σοφοκλή, την «Γερτρούδη» στον «Άμλετ» του Σαίξπηρ, την «Κυρία Άλβινγκ» στους «Βρικόλακες» του Ίψεν. Την περίοδο του πολέμου εγκαθίσταται στις ΗΠΑ, όπου εμφανίζεται στο Μπρόντγουαιη και ερμηνεύει σπουδαίους ρόλους στον κινηματογράφο, με τους οποίους κερδίζει τη διεθνή αναγνώριση.
Το 1950 επιστρέφει στην Ελλάδα και εμφανίζεται πάλι μαζί με τον Αλέξη Μινωτή στη σκηνή του Εθνικού Θεάτρου, με το οποίο περιοδεύει στις ΗΠΑ και την Ευρώπη. Ξαναπαίζει στη Νέα Υόρκη στο «Σπίτι της Μπερνάρντα Άλμπα» του Λόρκα, έργο που επαναλαμβάνει στην Αθήνα στο Θέατρο Κοτοπούλη.
Μετά το 1957, εμφανίζεται μόνιμα στη Σκηνή του Εθνικού Θεάτρου, ερμηνεύοντας έργα του αρχαίου Θεάτρου και του σύγχρονου διεθνούς ρεπερτορίου. Ανάμεσα σ' αυτά, η «Εκάβη», η «Μήδεια», οι «Φοίνισσες» και οι «Βάκχες» του Ευριπίδη, ο «Πατέρας» του Στρίνμπεργκ, «Η επίσκεψις της γηραιάς κυρίας» του Ντίρενματ, «Το Ταξίδι μακριάς μέρας μέσα στη νύχτα» του Ο' Νιλ, «Η τρελή του Σαγιό» του Ζαν Ζιροντού, ο «Μάκβεθ» του Σαίξπηρ.
Το 1968 η Κατίνα Παξινού και ο Αλέξης Μινωτής, συγκροτούν θίασο που εμφανίζεται στο Θέατρο «Αυλαία» της Θεσσαλονίκης, και στο Θέατρο «Διάνα» της οδού Ιπποκράτους. Στο «Σινεάκ», το κινηματοθέατρο που αργότερα θα μετονομαστεί σε «Θέατρο Παξινού», παίζει στα έργα «Η Ήρα και το παγώνι» του Σον Ο' Κέιζι, «Οι παλαιστές» του Στρατή Καρρά, οι «Βρικόλακες» του Ίψεν, «Ματωμένος Γάμος» του Λόρκα, ενώ την περίοδο 1971-1972 ερμηνεύει στο Θέατρο «Πάνθεον», την τελευταία μεγάλη επιτυχία της, ως «Μάνα Κουράγιο» στο ομώνυμο έργο του Μπέρτολντ Μπρεχτ.
Στις κινηματογραφικές επιλογές της υπήρξε εκλεκτική, εξ ου και οι μόλις 11 ταινίες της. Μεταξύ άλλων, συνεργάστηκε με τον Όρσον Γουέλς («Ο κύριος Αρκάντιν», 1955), τον Λουκίνο Βισκόντι («Ο Ρόκκο και τ' αδέλφια του», 1960) και φυσικά τον Σαμ Γουντ («Για ποιόν χτυπά η καμπάνα»), όπου έπαιξε τη δυναμική αντάρτισσα του ισπανικού εμφυλίου που μπορούσε να προβλέπει το μέλλον. Για την ερμηνεία της τιμήθηκε το 1944 με το Όσκαρ Β' Γυναικείου Ρόλου, ενώ το 1949 τιμήθηκε με το «Βραβείο Κοκτώ» στο Φεστιβάλ Μπιαρίτς για την ερμηνεία της στην ταινία του Ντάντλεϊ Νίκολς «Το πένθος ταιριάζει στην Ηλέκτρα». Η Παξινού έπαιξε σε μια και μόνο ταινία ελληνικής παραγωγής, το 1969, στο «Νησί της Αφροδίτης» του Γιώργου Σκαλενάκη, βασισμένη στο ομώνυμο θεατρικό έργο του Αλέξη Πάρνη.
Ο Αλέκος Σακελλάριος ήθελε πολύ να παίξει η Παξινού τον ρόλο της θείας Καλλιόπης στη ταινία του « Η θεία από το Σικάγο», αλλά αντέδρασε ο Φίνος, που πίστευε ότι η ταινία δεν θα έχει επιτυχία, επειδή έχουν μάθει να τη βλέπουν σε τραγωδίες στην Επίδαυρο και όχι σε ελαφρές κωμωδίες στο σινεμά. Εκτός από τις αξέχαστες ερμηνείες της στο θέατρο και τον κινηματογράφο, η Κατίνα Παξινού έκανε μεταφράσεις θεατρικών έργων του Ευγένιου Ο' Νιλ και έγραψε τη μουσική για την παράσταση «Οιδίππους Τύραννος» του Σοφοκλή, που ανέβασε το Εθνικό Θέατρο, σε σκηνοθεσία Φώτου Πολίτη το 1933 και σε σκηνοθεσία Αλέξη Μινωτή το 1952.
Παρασημοφορήθηκε με τον «Χρυσό Ανώτερο Ταξιάρχη Γεωργίου Α'» και με τον «Ανώτερο Ταξιάρχη» της Δυτικής Γερμανίας. Τιμήθηκε ακόμη με τον τίτλο της «Αξιωματούχου Γραμμάτων και Τεχνών» της Γαλλίας και με το Βραβείο «Ιζαμπέλα Ντ' Εστέ». Η Κατίνα Παξινού πέθανε στις 22 Φεβρουαρίου 1973 στην Αθήνα, σε ηλικία 72 ετών.
