Tompos Katalin néven látta meg a napvilágot 1983. március 13-án, Budapesten. Az orosz anyai nagymamája kezdte Kátyának hívta, később pedig Tompos Kátya néven vált ismertté. Édesapja Tompos Károly villamos- és atomenergetikai mérnök volt, aki a Szovjetunióban folytatta tanulmányait. Moszkvában ismerkedett meg Kátya édesanyjával, az orosz Valentyina Szigyelnyikovával, akivel később Budapestre költöztek.
A színésznő csupán 6 éves volt, amikor elvesztette édesapját, ettől kezdve az édesanyja egyedülálló szülőként nevelte fel őt.
1995-ben kezdte meg középfokú tanulmányait a Szerb Antal Gimnáziumban, ahol 2001-ben érettségizett.
A gimnáziumi évei alatt Földessy Margit stúdiójának növendéke volt.
2001-ben felvételt nyert a Színház- és Filmművészeti Egyetemre, ahol Kerényi Imre osztályában 2005-ben musical szakon végzett.
Tompos Kátya a magánéletéről sosem beszélt, úgy vélte, ez nem tartozik a nyilvánosságra, ugyanakkor a művészetébe beleszőtte éppen aktuális érzéseit.
2024 május elején derült fény arra, hogy a színésznő évek óta a daganatos betegségek egyik komoly vállfajával küzd, a szükséges kezelés pedig csak külföldön volt elérhető.
Amikor az ország tudomást szerzett Tompos Kátya betegségéről, egy emberként fogtak össze. Pályatársai és barátai május 25-én jótékonysági koncertet szerveztek és a bevétel teljes összegét Kátya kezelésére kínálták fel.
Május 30-án boldogan jelentették be, hogy összegyűlt az orvosi eljáráshoz szükséges összeg, szervezete azonban sajnos feladta a küzdelmet és egy nappal később, május 31-én egy magyarországi kórházban 41 évesen Tompos Kátya meghalt.
2024. június 7-én a Várkert Bazárban nyilvános megemlékezésre került sor.
2024 júliusának első napjaiban kísérték őt az utolsó útjára, a család bejelentette, hogy a szertartásra csak a közeli családtagok és barátok vehetnek részt. Sírja a Farkasréti temető 31-es parcellájában található.
2005-ben a József Attila Színház tagjaként láthatta őt a nagyérdemű.
2007-től egy éven át a Bárka Színház előadásaiban szerepelt.
2008 ban a Nemzeti Színház tagja volt, ahol 10 éven keresztül játszott.
2009-ben Tompos Kátya a Valami Amerika 2. főcímdalával (a Magányos csónak c. szerzeménnyel) bekerült Magyar Televízió dalválasztó show-jába és ő képviselhette volna Magyarországot az abban az évben Moszkvában megrendezésre kerülő Eurovíziós Dalfesztiválon, azonban a színházi elfoglaltságaira hivatkozva végül nem élt ezzel a lehetőséggel.
2013 novemberében megjelent első szólóalbuma, amely a Keresztül Európán címet kapta.
2017-ben megjelent Holdjárat című második lemeze.
Bertolt Brecht - Kurt Weill: Koldusopera - Polly
Anton Pavlovics Csehov: Sirály - Mása
Anton Pavlovics Csehov: Sirály - Nyina
Anton Pavlovics Csehov: A medve - Popova
Lázár Ervin: Berzsián és Dideki - Dideki
Alekszandr Nyikolajevics Osztrovszkij: Vihar - Katyerina
William Shakespeare: Szentivánéji álom - Heléna
William Shakespeare: Ahogy tetszik - Rosalinda
Friedrich Schiller: Don Carlos - Királynő
Spiró György - Másik János: Ahogy tesszük - Cunci
Weöres Sándor: A holdbéli Csónakos - Pávaszem
Marina Carr: A Macskalápon - Caroline
Darvas Benedek - Varró Dániel - Hamvai Kornél - Rejtő Jenő: Vesztegzár a Grand Hotelben - Léni Jörins
Kacsóh Pongrác: János vitéz - Iluska
Euripidész: Oresztész - Hermioné
William Shakespeare: Troilus és Cressida - Cressida
Jean Racine: Atália - Szulamit
Fejes Endre - Presser Gábor: Jó estét nyár, jó estét szerelem - Zsuzsanna
Vevők és albérlők szolgasága - közreműködő
Eisemann Mihály - Szilágyi László: Én és a kisöcsém - Kelemen Kató
Tasnádi István: Kokainfutár - Lány
Tasnádi István: Vanek úr Afrikában - Hegyi Irén
Joseph Stein - Jerry Bock: Hegedűs a háztetőn - Chava
Csiky Gergely: Kaviár - Mariska
Molnár Ferenc: Pál utcai fiúk - Boka
Hervé: Nebántsvirág - Denise
Galt MacDermot - Gerome Ragni: Hair - Sheila
Tasnádi István - Fenyő Miklós: Aranycsapat - Winkler Zsófi
Joe Masteroff - John Kander - Fred Ebb: Kabaré - Sally
Dés - Nemes - Böhm - Korcsmáros - Horváth: Valahol Európában - Suhanc
Martin Speer: Vadászjelenetek Alsó-Bajorországból - Tonka
Kovács Márton - Mohácsi István - Mohácsi János: Egyszer élünk - Gombkötő Gitta
Vörösmarty Mihály: Csongor és Tünde - Ledér
Székely Csaba: Bányavirág - Ilonka
Jean Lambert - Wild: Az ördög szekrénye - Cigánylány
Jean Lambert - Wild: Az ördög szekrénye - Menyasszony
Szörényi Levente - Bródy János: István, a király - Réka
Paul Claudel - Arthur Honegger: Johanna a máglyán - Szent Johanna
Galambos Péter - Kovács-Cohner Róbert: Boldogságlabirintus - Mira
Makszim Gorkij: Éjjeli menedékhely - Nasztya
Németh Ákos: Prostitúció - I. Nő
Németh Ákos: Prostitúció - II. Nő
Németh Ákos: Prostitúció - III. Nő
Leonyid Zorin: Varsói melódia - Helga
2001 - VII. Olivér
2002 - Ébrenjárók
2002 - Kulcslyukon surranó szerelem
2003 - Szerelem meghal
2005 - Melletted
2005 - A gyertyák csonkig égnek
2006 - Bianco
2006 - Régimódi történet
2006 - Örkény lexikon
2007 - Decameron 2007
2007 - Kire ütött ez a gyerek?
2008 - Valami Amerika 2.
2009 - Poligamy
2009 - Magic Boys
2010 - Köntörfalak
2012 - Nejem, nőm, csajom
2013 - Coming out
2014 - Mindig veled
2018 - Valami Amerika 3.
2019 - Most van most
2009 - Éjféli expressz - Susan
2005 - Különös kívánság - Alexia Wheaton
2005 - Hófehérke - Nico
2005 - Az igazság fogságában - további magyar hang
2005 - Melquiades Estrada három temetése - Lou Ann Norton
2006 - Nappali őrség - további magyar hang
2006 - Sarah beavatása - Lindsey Goodwin
2006 - Szerzők - Kari
2007 - Charlie Banks: Az élet iskolája - Mary
2007 - Fülenincs nyúl - további magyar hang
2008 - Kínzó közelség - Lisa Mattson
2009 - A veszettek - Angela Rugiello
2009 - Gettómilliomos - Latika
2010 - Che - A gerilla - további magyar hang
2010 - Che - Az argentin - további magyar hang
2010 - Charlie St. Cloud halála és élete - Tess Carroll
2010 - Ilyen a formám - Daphne
2010 - Viharsziget - Rachel 1
2011 - Fifti-fifti - Katherine
2012 - Kényszerleszállás - további magyar hang
2012 - Tükröm, tükröm - Hófehérke
2014 - Hogyan rohanj a veszTEDbe - Louise
2014 - Micsoda nők! - Ysis
2022 - Drága családunk - Mara
2022 - Édes elszigeteltség - további magyar hang
2022 - Vérapó - Cukipálca
2023 - 10 nap anyu nélkül 2. - Madame Rochant
2023 - Kokainmedve - Sari
2023 - Megfojtott virágok - Mollie Burkhart
2023 - Mrs. Davis - Simone
2023 - Zörej - Liv
2013 - Keresztül Európán
2017 - Holdjárat
2005 - Máthé Erzsi-díj
2007 - Bárka Színház - A legjobb színésznő (közönségdíj)
2009 - Gundel művészeti díj
2010 - Junior Prima díj - Magyar színház- és filmművészet kategória
2014 - Jászai Mari-díj
2014 - Szörényi Éva-díj
2014 - Arany Medál díj - A legjobb hazai színésznő (közönségdíj)
2019 - Vidor Fesztivál - A legjobb női főszereplő díja
2022 - New York Film Awards - A legjobb női főszereplő
2024 - Budapest díszpolgára (posztumusz)