Nata a Los Angeles da David Cassidy, un cantante pop degli anni settanta, e dalla modella Sherry Benedon, i suoi genitori non si sono mai sposati. I suoi nonni paterni erano gli attori Jack Cassidy ed Evelyne Ward. Cresciuta a Calabasas, in California, con la madre e il patrigno Richard, ha due sorelle maggiori acquisite, Jenna e Jamie. Da bambina, Katie Cassidy pratica ginnastica e al liceo diventa una cheerleader della squadra California Flyers. Nel 2005 si diploma alla Calabasas High School, California.

Dopo due anni di relazione, l'8 dicembre 2018 ha sposato Matthew Rodgers.

Katie Cassidy chiede il divorzio dal marito Matthew Rodgers dopo 2 anni di matrimonio.

In età adolescenziale, Katie Cassidy inizia ad avvicinarsi al mondo dello spettacolo recitando, cantando e danzando; nel 2004 incide con la Artemis Records un remake di "I Think I Love You", singolo del padre.

Dopo la breve carriera da cantante, Cassidy diventa modella, sfilando nel 2004 per Abercrombie & Fitch e Guess?. Il mondo della moda le apre le porte per la carriera da attrice, ma la madre non le permette di intraprenderla professionalmente fino al completamento degli studi. Tra i suoi primi ruoli c'è quello di Zoe nel telefilm Settimo cielo; in seguito appare in Sex, Love & Secrets, ma la serie viene cancellata dopo pochi episodi. Nel 2006 prende parte a due remake horror, Chiamata da uno sconosciuto e Black Christmas - Un Natale rosso sangue.

Mentre gira il remake di La rivincita dei nerds, la produzione è costretta a fermarsi per dei disaccordi con il college nel quale stavano girando, cancellando infine il film. Nello stesso periodo completa a Parigi il film Io vi troverò con Liam Neeson e Maggie Grace.

Viene in seguito scelta per il ruolo di Lucy Ewing nel remake di Dallas ed entra nel cast regolare della terza stagione di Supernatural, dove interpreta Ruby, un demone "pentito" che aiuterà i due protagonisti. Nel maggio 2008, però, il creatore della serie Eric Kripke conferma che Ruby non apparirà nella quarta stagione a causa della diminuzione del budget in seguito allo spostamento del set in Canada.

Per la stagione televisiva 2008-2009 prende parte alla nuova serie televisiva della CBS Harper's Island. Nella stagione televisiva successiva, interpreta Ella Simms in Melrose Place, rifacimento dell'omonima serie degli anni novanta.

Nel 2010 recita in Nightmare, rifacimento di Nightmare - Dal profondo della notte (1984), e nella quarta stagione di Gossip Girl nel ruolo di Juliet Sharp. Partecipa anche al film Kill for Me, in uscita nel 2012. Nel 2011 è protagonista, insieme a Leighton Meester e Selena Gomez, della commedia Monte Carlo. Nel 2012 entra nel cast della nuova serie televisiva Arrow nel ruolo di Laurel Lance che ricopre fino alla quarta stagione. In seguito alla quarta stagione, continua a recitare in Arrow nel ruolo di Black Siren, ovvero l'alter ego di Laurel Lance di Terra 2.