Esile e seduttiva, Kate Mara proviene da Bedford, nel Westchester County di New York, da una famiglia decisamente agiata; è seconda dei quattro figli - Daniel, Patricia, Conor - di Kathleen Rooney e Chris Mara presidente dei New York Giants, nota squadra di football fondata dagli avi dell'attrice, proprio come la formazione dei Pittsburgh Steelers.
Sin da piccola, Kate va pazza per i musical, i film di Judy Garland e, soprattutto, per gli spettacoli di Broadway ai quali mamma la porta ad assistere. A nove anni, la bambina inizia a comparire nelle rappresentazioni scolastiche e, poco più tardi, comincia a studiare recitazione.

Determinata e fortunata
Impara il canto, la danza e, non ancora quattordicenne, esorta la madre a trovarle un agente. Ecco che arriva la prima audizione per entrare nel cast della serie poliziesca Homicide: Life on the Street. Il provino della teenager non convince gli addetti alla produzione e, quindi, Kate decide prendersi del tempo per formarsi ulteriormente come artista. Si diploma alla Fox Lane High School, conseguendo la laurea presso la Tisch School of the Arts at New York University.
Giunta al suo diciassettesimo compleanno, la ragazza esordisce su celluloide nel ruolo della figlia di una tormentata Kristin Scott Thomas, in Destini Incrociati. Tra il 2005/06, cresce al fianco di un'angosciata Michelle Williams ne I segreti di Brokeback Mountain, viene reclutata da un supereroe come Tim Allen nella commedia fantascientifica Zoom e perde il suo amato in un disastro aereo nello sport-drama We Are Marshall.

Una celebrity a tutto tondo
Il 2007 la trova a fare gli occhi dolci al nerd protagonista di 14 anni vergine, nonché a coccolare un pluridecorato marine come Mark Wahlberg nell'action Shooter. Dodici mesi dopo, Kate è la commerciante di matrioske a bordo del treno del terrore chiamato Transsiberian ed incarna la girlfriend di Justin Timberlake nella baseball-comedy The Open Road.
È inoltre sul set dell'adventure Stone of Destiny diretto da Charles Martin Smith. E' una bella escursionista in 127 Ore (2010) di Boyle, e il 2011 la vedrà impegnata nelle riprese di Iron Man 2. La sua scalata verso la popolarità prosegue con il film di Ridley Scott Sopravvissuto - The Martian e Fantastic 4 - I fantastici 4. Nel 2016 è protagonista dell'horror di Luke Scott Morgan.
Il suo grazioso volto è popolare anche in tv, dove si è cimentata nella fidanzatina bisex di John Hensley nella prima serie di Nip/Tuck, nonché nella stramba analista informatica, Shari Rothenberg, nella quinta stagione di 24. La stellina è sentimentalmente legata al regista producer McG.