Die Eltern von Kate Burton, Richard Burton und Sybil Williams, waren Schauspieler. Burton studierte an der School of Drama der Yale University, außerdem schloss sie ein Studium der russischen Sprache und der europäischen Geschichte an der Brown University ab.[2]
Als Theaterdarstellerin wurde Burton im Jahr 2002 für ihre Rollen in den Stücken Hedda Gabler und The Elephant Man für zwei Tony Awards nominiert.[2] Im Fernsehthriller Besessen (2002) übernahm sie neben Jenna Elfman eine der Hauptrollen. Im Filmdrama Empire Falls (2005) spielte sie die Rolle der Tochter der Chefin von Miles Roby (Ed Harris), die in diesen jahrelang verliebt ist. Im Thriller Stay (2005) trat sie neben Ewan McGregor, Ryan Gosling und Naomi Watts in einer größeren Rolle auf. Ihre seit 2005 gespielte Rolle der Ellis Grey in der Fernsehserie Grey’s Anatomy brachte ihr 2006 und 2007 jeweils eine Nominierung für den Emmy. In der Serie Scandal spielte sie von 2012 bis 2018 – ebenfalls, wie Grey's Anatomy, von Shonda Rhimes – die Rolle der Sally Langston, für die sie 2014 wieder für den Emmy nominiert wurde.
Burton ist seit 1984 mit Michael Ritchie verheiratet, der das Massachusetts' Williamstown Theatre Festival leitet. Sie hat zwei Kinder.[2][1]