Née le 15 avril 1955 à Paris d'un père algérien chaoui et d'une mère française. À Alger, elle accomplit ses études secondaires, écrit ses premières nouvelles et commence à étudier le théâtre, la musique et les Beaux-Arts.
Licenciée de philosophie, elle gagne sa vie tout d'abord dans l'Éducation nationale et multiplie les emplois. Puis son diplôme d'architecte en poche, elle se spécialise en architecture bioclimatique et devient urbaniste à la Préfecture de Paris. Elle poursuit ses recherches en architecture solaire en Belgique, et part en Égypte étudier l'architecture de terre avec Hassan Fathy après l'obtention d'un DEA d'esthétique sous la direction d'Olivier Revault d'Allonnes à la Sorbonne. Elle publie ses premiers articles dans les journaux Le Sauvage et Sans frontières et écrit son premier scénario.
De retour à Paris, elle suit les cours du Conservatoire national supérieur d'art dramatique et décroche ses premiers rôles à la télévision ou au cinéma. Elle devient ensuite reporter à l'agence Gamma et réalise de nombreux sujets pour différentes émissions comme Moi-je, Sexy folies, Mosaïque, Envoyé Spécial, Des racines et des ailes, Faut pas rêver, Océaniques.
Lors d'un reportage, elle se fait remarquer par Philippe Alfonsi qui lui propose alors de présenter le nouveau magazine qu'il est en train de mettre en place avec Maurice Dugowson et lui demande de participer au concept. Catherine Belkhodja suggère alors comme plateau ambulant pour l'émission un taxi qui se déplace de nuit dans Paris. La présentatrice pose des questions à ses invités dans sa voiture dans l'émission Taxi, qui reçoit un sept d'or. En 1987, elle réalise le moyen-métrage « Reflet perdu du miroir », interprété par ses filles Maïwenn et Isild, et diffusé sur FR3.
Chris Marker lui confie le rôle principal du film Level Five en 1997.
Elle collabore également à L'Autre Journal et La Légende du siècle et co-fonde le périodique Marco Polo magazine, journal spécialisé sur l'Asie. Elle est la responsable d'une maison d'édition, les éditions Karédas.
Catherine Belkhodja est par ailleurs la fondatrice du Grand concours international de haïku Marco-Polo. Ce concours, créé en 2005, prime chaque année les meilleurs auteurs de haïku, en provenance de dix pays.
Catherine Belkhodja a cinq enfants :
- Maïwenn Le Besco, actrice, scénariste et réalisatrice
- Jowan Le Besco, acteur, réalisateur et directeur photo
- Isild Le Besco, actrice, scénariste et réalisatrice, peintre et écrivain
- Léonor Graser, enseignante à la Sorbonne (Médiations culturelles)
- Kolia Litscher, acteur
