Catherine Bernstein grandit à Tours qu'elle quitte après le bac pour venir étudier à Paris où elle suit des études de Lettres modernes. Une fois obtenu son DEUG elle obtient une licence de cinéma à Paris-III.
Après avoir été assistante à la réalisation sur des longs métrages de fiction (Un monde sans pitié de Eric Rochant, La vie des morts d’Arnaud Desplechin et L'irrésolu de Jean-Pierre Ronssin...), elle réalise des courts métrages dont Zohra à la Plage (1996), Prix du jury de Ciné Cinéma, Prix Aaton du court métrage à Locarno, Prix de Montecatine, et Pour la vie (1998). Elle tourne en Allemagne trois documentaires, Oma (1997), Prix du jury au festival de Vic le Comte, Les Raisins Verts (1998), prix Jean Lodz de la SCAM en 2000, et Les Absentes (1999). Assassinat d’une modiste (2006) poursuit la quête quasi obsessionnelle de la cinéaste sur les traces du passé. En 2007, elle réalise une fiction, Le Chant de la Baleine et un documentaire de la collection Empreinte sur le philosophe Michel Serres. En 2008, elle conçoit un documentaire Asylum d'après des images 8mm filmées par le psychiatre Georges Daumezon dans des hôpitaux psychiatriques d'après-guerre. En 2009, elle tourne un court-métrage sur le corps, Nue, Prix du meilleur film à Saint-Petersbourg et sélectionné aux festivals de Locarno, Montréal, Nouméa, Douarnenez, Brest, Villeurbanne, etc. Un crime français (2011) retrace les circonstances de la disparition de Jean Zay, Ministre de Léon Blum assassiné par la milice. T4, un médecin sous le nazisme (2014) est un documentaire sur l’assassinat des handicapés mentaux sous le nazisme. Catherine Bernstein coréalise avec Assen Vladimirov Le libraire (2015) sur la vie de Romain Gary en 1946 à Sofia, au moment de la descente du rideau de fer (Etoile de la Scam 2016, Prix du Jury, Prix de la Critique et Prix du Film d'Archive...). En 2014, elle raconte l'histoire d'une famille juive installée en Bretagne et déportée en 1942 dans Ils sont partis comme ça (à retrouver sur KuB). En 2017, elle tourne Les Tourangelles, un film sur sa ville d'origine dans le cadre d'une collection pour FR3. Catherine Bernstein dresse en 2018 pour Arte le portrait de Fritz Bauer (primé au festival du film historique à Rijeka en Croatie). Elle vient d'achever La SNCF sous l'Occupation, Les identités de Mona Ozouf ainsi que Sauvons les enfants pour FR3.
Elle travaille aussi sur des castings de longs (Oublie-moi, de Noémie Lvovsky, La sentinelle, de Desplechin, etc…) et a écrit en outre deux scénarios de longs métrages, dont L'Homme qui n'existait pas, soutenu par la Fondation Beaumarchais.
