Towne nasceu em Hollywood, filha da atriz Julie Payne e do diretor, ator e roteirista ganhador do Oscar Robert Towne. É neta, por parte de sua mãe, dos atores John Payne e Anne Shirley, lendas da Era de Ouro de Hollywood.
Towne iniciou sua carreira com um pequeno papel no filme Agito Radical de 1998. Ela então apareceu em Vamos Nessa, Ela É Demais, Nunca Fui Santa e Procura-se Uma Noiva, bem como estrelou como "Sunday" em Buffy the Vampire Slayer.
Em 2000, Towne estrelou como "Riley Veatch" na série da NBC M.Y.O.B.. Desde então ela apareceu em vários filmes, incluindo The In Crowd, Revelação, Ricos Bonitos e Infiéis, Cidade dos Sonhos, Evolução, Uma Coisa Nova: As Surpresas do Coração e Escorregando Para a Glória. Ela também interpretou um personagem chamado "Erin" em Doce Lar; suas cenas foram cortadas no final, mas foram incluídas no lançamento do DVD do filme. Towne interpretou "Mason" na série da HBO Tell Me You Love Me. Katharine foi casada com o ator inglês Charlie Hunnam de 1999 a 2002.

Cônjuge: Charlie Hunnam (de 1999 a 2002)
Pais: Robert Towne, Julie Payne
Irmã: Chiara Towne