È stata la prima attrice colombiana a essere nominata all'Oscar. Un volto da Madonna, occhi fantastici e scurissimi, qualche leggero lineamento da maschiaccio. Brava e splendida, lei è Catalina Sandino Moreno.
Figlia di una patologa e di un veterinario, è il tipo di ragazza metropolitana che studia alla borghesissima British School di Bogotà. Amante della recitazione, dopo essere stata rifiutata per diversi ruoli nelle telenovelas del suo paese, nel 2002 si dà al teatro, dove conosce il tecnico delle luci David Elwell (che poi sposerà nel 2006). Nonostante i primi passi mossi sul palcoscenico della sua città, continua a studiare recitazione, poi viene scoperta da un anonimo che riferisce il suo nome all'agente del casting di Maria Full of Grace dell'esordiente Joshua Marston, che ha scritto la storia di una «mula»: una di quelle ragazze che per 5 mila dollari si imbottisce di eroina e rischia la vita per contrabbandarla nei paesi ricchi. Dopo 800 provini fra Bogotà e New York, Quito e Miami, arriva lei. Il regista e la produzione, meravigliati dalla sua freschezza, la scelgono. Il ruolo le farà guadagnare prima l'Orso d'Argento al Festival di Berlino e poi la nomination all'Oscar come miglior attrice protagonista. Finite le riprese, rimane a New York City con il marito, si iscrive ad un altro corso di recitazione e trova un agente.
Nel 2006, affianca Brendan Fraiser nel film indipendente Journey to the End of the Night, poi recita in Fast Food Nation di Richard Linklater con Patricia Arquette, Kris Kristofferson, la cantante Avril Lavigne (al suo debutto) e soprattutto Ethan Hawke che, colpito dalla sua interpretazione, la imporrà nel suo film The Hottest State dove, smessi i panni di Maria si lancia in quelli di seduttrice.
Recitare con Javier Bardem è il suo sogno e lei riesce a realizzarlo quando Mike Newell le chiede di prendere parte a L'amore ai tempi del colera del premio Nobel Marquez, accanto a Giovanna Mezzogiorno.
Nel 2008 veste i panni di Aleida March, rivoluzionaria cubana e seconda moglie di Che Guevara nel dittico sul celeberrimo guerrigliero diretto da Steven Soderbergh Che - L'argentino e Che - Guerriglia. Farà poi parte del cast di The Twilight Saga - Eclipse (2010), passando poi a Magic Mike (2013) e 1981: Indagine a New York (2014). L'anno dopo passa all'horror con Incarnate - Non potrai nasconderti.
Un'attrice ad honorem, con grandi carte per scalare il successo.