Katherine nasce e cresce a Los Angeles, California. È la primogenita dell'attore e politico Arnold Schwarzenegger (di origine austriaca) e la giornalista e autrice Maria Shriver (di origine irlandese e tedesca), la cui madre Eunice è una delle sorelle dell'ex presidente John Fitzgerald Kennedy mentre il padre, Sargent Shriver, era un ambasciatore degli Stati Uniti in Francia e candidato democratico a vicepresidente degli Stati Uniti nelle elezioni del 1972.[2] Ha una sorella minore, Christina Schwarzenegger,[3] e due fratelli minori, Patrick[4] e Christopher Schwarzenegger.[5] Da parte di padre, ha acquisito anche il fratellastro Joseph Baena.[6][7]
Nel 2010, Schwarzenegger ha scritto un libro intitolato Rock What You've Got: Secrets to Loving Your Inner and Outer Beauty from Someone Who's Been There and Back.[8] Nel libro usa il proprio percorso come mezzo per incoraggiare altre giovani donne ad accrescere la fiducia in loro stesse.[9] Schwarzenegger racconta di come è riuscita a sconfiggere, tramite l'esercizio e lo yoga, i problemi di autostima sperimentati durante la prima adolescenza, legati soprattutto al proprio aspetto fisico.[10]
Dopo essersi laureata alla University of Southern California nel 2012, incerta sulla carriera professionale da voler intraprendere, Schwarzenegger cerca consiglio in diverse persone, tra cui atleti, cantanti, imprenditori e attori.[11] Successivamente decide di raccogliere quanto appreso da questi incontri nel suo secondo libro —I Just Graduated . . . Now What?— che viene pubblicato nel 2014 come una "guida di sopravvivenza" per neolaureati.[12]
Nel 2017 Schwarzenegger dà alla luce un libro per bambini, Maverick and Me. Il libro narra di come Schwarzenegger salvò e successivamente adottò il suo cane, Maverick. Usando la propria esperienza, il libro sottolinea i benefici del salvataggio e dell'adozione degli animali domestici.[13] Parlando della propria esperienza come di una "adozione fallita" (nel senso di una casa adottiva che diviene poi definitivamente casa), il libro sottolinea i benefici dell'adozione e del salvataggio degli animali domestici.
Schwarzenegger è ambasciatrice dell'American Society for the Prevention of Cruelty to Animals[13] nonché sostenitrice della Best Friends Animal Society.[14]
Nel giugno 2018 ha iniziato una relazione con l'attore Chris Pratt, che ha ufficializzato pubblicamente il 13 gennaio 2019.[15][16]
L'8 giugno 2019 Pratt e Schwarzenegger si sono sposati a Montecito, California.[17] Il 10 agosto 2020 è nata la loro primogenita, Lyla Maria; il 22 maggio 2022 la coppia ha una seconda figlia, chiamata Eloise Christina. L' 8 novembre 2024 è nato il terzo figlio della coppia, Ford Fitzgerald. [18]