Après des études d’arts du spectacle à Montpellier, Catherine Cosme se forme à la peinture-décoration dans un atelier d’Avignon. Puis elle est diplômée en scénographie à l’Ecole de la Cambre à Bruxelles, où elle s’installe. Elle a débuté´ dans le cinéma sur le film Didine (2007) de Vincent Dietschy.
Les projets de cinéma et de théâtre se sont ensuite nourris mutuellement, notamment les films De leur vivant (2011) de Geraldine Doignon, Le Cri du homard (2012) de Nicolas Guiot (César du Meilleur court métrage 2013 et Magritte du Meilleur court métrage 2013), Le Monde nous appartient (2013) de Stephan Streker, la série La Tre^ve de Mathieu Donck, et les pièces « La Trilogie Mayenburgh » avec Adele Haenel, les mises en scène de Thierry Debroux, et tant d’autres.