Το 1920 εμφανίστηκε για πρώτη φορά στη Σκηνή του Δημοτικού Θεάτρου Αθηνών, ως ηθοποιός του λυρικού θεάτρου, στην όπερα «Αδελφή Βεατρίκη», που είχε συνθέσει αποκλειστικά για την ίδια ο Δημήτρης Μητρόπουλος.
Από το 1932 έως το 1940 εμφανίζεται στο Εθνικό Θέατρο, όπου ερμηνεύει ρόλους που την καταξιώνουν ως κορυφαία ηθοποιό της ελληνικής σκηνής.
Έγραψε ιστορία με τους ρόλους που ερμήνευσε και αποθεώθηκε ως τραγωδός στην πρώτη παράσταση που έλαβε χώρα στην Επίδαυρο στους νεότερους χρόνους, στην «Ηλέκτρα» του Σοφοκλή, παραγωγή του Εθνικού Θεάτρου, σε μετάφραση Ιωάννη Γρυπάρη και σκηνοθεσία του Δημήτρη Ροντήρη.
Θα άξιζε να θυμηθούμε και τη διεθνή της πορεία, που ίσως σήμερα να μην είναι τόσο γνωστή.
Με το Εθνικό Θέατρο, τις παραμονές του Β΄ Παγκοσμίου Πολέμου, θα εμφανιστεί στο Λονδίνο, τη Φραγκφούρτη και το Βερολίνο, ερμηνεύοντας το ρόλο της Ηλέκτρας στην ομότιτλη τραγωδία του Σοφοκλή και το ρόλο της Γερτρούδης στον Άμλετ του Σαίξπηρ.
Το Μάιο του 1940 η Κατίνα Παξινού υποδύθηκε την Κυρία Άλβινγκ στους Βρικόλακες του Ίψεν, στο Duchess Theatre του Λονδίνου, με τον θίασο του Charles Cochran.
Στη συνέχεια η Παξινού μεταβαίνει στις ΗΠΑ με δραματικό τρόπο, αφού το πλοίο στο οποίο επέβαινε τορπιλίστηκε από του Γερμανούς, ενώ, όταν το προσπαθεί ξανά, ταξιδεύει μέσω Ισπανίας, εν μέσω βομβαρδισμών. Στις ΗΠΑ εμφανίζεται στο Μπρόντγουεϊ, ενώ ερμηνεύει και σπουδαίους ρόλους στον κινηματογράφο, με τους οποίους κερδίζει τη διεθνή αναγνώριση. Μια μεγάλη στιγμή είναι η συμμετοχή της στην ταινία «Για ποιόν κτυπά η καμπάνα» του Σαμ Γούντ, για την οποία απέσπασε, το 1944, το Oscar Β΄ γυναικείου ρόλου. Στην ταινία η έξοχη Κατίνα Παξινού, υποδύεται μια αντάρτισσα του ισπανικού εμφυλίου πολέμου, και είναι απίστευτη όχι μόνο η ερμηνεία της, αλλά και η «μεταμόρφωσή» της.
Αργότερα, το 1960, συνεργάστηκε με τον Λουκίνο Βισκόντι στην ταινία «Ο Ρόκο και τα αδέλφια του», παίζοντας μαζί με τον Αλαίν Ντελόν και τον Σπύρο Φωκά.