Catalina Sandino Moreno debutó en el cine como protagonista de la aclamada y reconocida película María llena de gracia, de Fine Line Features/HBO.
Por su interpretción, Sandino fue nominada a los Premios de la Academia como mejor actriz protagonista, al premio Screen Actors Guild, y ganó el premio Independent Spirit a la mejor actriz. La película se estrenó en Estados Unidos en el Festival de Cine de Sundance en 2004, donde consiguió el Premio del Público, y se estrenó en salas comerciales de manera limitada en Julio de 2004. La película ganó el Grand Special Prize en el Festival de Cine de Deauville de 2004. Sandino ha conseguido muchos otros galardones y nominaciones por su interpretación, incluyendo el Oso de Plata a la Mejor Actriz en el Festival Internacional de Cine de Berlín de 2004, el premio Golden Space Needle a la mejor actriz en el Festival Internacional de Cine de Seattle en 2004 y el premio Breakthrough Actor en los premios Gotham 2004. También fue nombrada ShoWest's International Star of the Year en 2005.
En Octubre comenzó a rodar la plícula biográfica en dos partes sobre el líder revolucionario cubano Che Guevara, interpretado por Benicio Del Toro. Dirigida por Steven Soderbergh, la película está dividida en dos partes Guerilla y The Argentine. Sandino interpreta el personaje de la mujer del Che Guevara.
Recientemente la hemos podido ver en la película de época de Antonio Cuadri, El corazón de la tierra. La película se centra en las tensiones que se desarrollaron en la población andaluza de Rio Tinto entre los trabajadores españoles de las minas y sus empleadores británicos. La película se estrenó en España el 13 de abril de 2007.
Sandino ha protagonizado recientemente la película dirigida por Ethan Hawke, The Hottest State. La película, que también protagonizan el propio Hawke, Laura Linney, Michelle Williams y Mark Webber, cuenta la historia de un joven actor de Texas (Webber) que está intentando triunfar en Nueva York, mientras mantiene una irregular relación con una hermosa cantante y compositora (Sandino). La película se presentó en el Festival de Cine de Venecia en Agosto de 2006.
Sandino ha participado también en la polémica Fast Food Nation. Dirigida por Richard Linklater, Fast Food Nation es una pieza coral que examina los riesgos para la salud que rodean a la industria de la comida rápida, así como sus consecuencias medioambientales y sociales. La película es una adaptación ficcionalizada del éxito de ventas de no ficción de Eric Schlosser y está interpretada por Patricia Arquette, Ethan Hawke, Bobby Cannavale y Greg Kinnear. Se presentó en el Festival de Cine de Cannes y ha sido estrenada en Estados Unidos por 20th Century Fox.
Nacida en Bogotá, Colombia, en 1981, Sandino mostró un gran interés por el teatro a muy temprana edad. En 1997, mientras estaba en el instituto, se inscribió en la academia de teatro Ruben Di Pietro en Bogotá. Durante sus cuatro años en la academia actuó en producciones como Acuerdo para Cambiar de Casa de Griselda Gambaro, The Dark Room de Tennessee Williams, y Laughing Wild de Christopher Durang.
Depués de su debut cinematográfico en Maria llena de gracia, Sandino se trasladó a Nueva York, donde comenzó a asistir a The Lee Strasberg Institute. Debutó en los scenarios neoyorquinos en la producción de la obra de Shakespeare King John de Frog & Peach Theatre Company.
En Septiembre de 2006, Sandino terminó la producción en Sao Paolo Brazil de Journey to the End of the Night escrita y dirigida por Eric Eason, y co-protagonizada por Brendan Fraser y Mos Def. Terminado este trabajo, se trasladó a París para rodar uno de los fragmentos de Paris, je t'aime con el director Walter Salles. La película versa sobre la pluralidad del cine en París, la Ciudad del Amor. Doce directores, icluyendo a los hermanos Coen, Alexander Payne y Wes Craven, han contado con cinco minutos para contra una historia narrativa, de géneros y estilos muy variados, de encuentros, de creación de atmósferas, de diferentes puntos de vista de los distintos barios de París.
Sandino reside en New York.