Katie se narodila 8. srpna 1987 ve skotském Dundee Peterovi a Kar Wai Li Leungovým a většinu dětství strávila v Motherwellu v Severním Lanarkshiru. Rodiče se rozvedli, když byla malá, a ona žila se svým otcem (rodákem z Hongkongu), nevlastní matkou, bratrem Jonathanem a nevlastními sourozenci Nichole, Darrenem a Willem. Její otec provozuje restauraci v Glasgow a také velkoobchod s čínskou kuchyní. Kromě angličtiny umí Leung také kantonsky a trochu mandarínsky. Leung navštěvovala Hamilton College, skotskou soukromou školu v Hamiltonu v Jižním Lanarkshiru. V současnosti žije v Londýně. Katie navštívila různé země včetně: Ameriky, Japonska, Švýcarska, Švédska, Norska, Finska a Turecka.
Otec Leungové viděl inzerát na casting na filmovou adaptaci Harryho Pottera a Ohnivého poháru a navrhl jí, aby to zkusila. Čekala celkem čtyři hodiny ve frontě, než se dostala dovnitř. Její konkurz trval jen pět minut a dva týdny neslyšela nic dalšího; pak byla povolána na workshop a poté dostala roli Cho. Byla vybrána na roli Cho poté, co porazila přes 4000 dalších dívek (včetně hereček Courtney Webb a Michelle Ang) v otevřeném konkurzu v Londýně pro dívky východoasijského vzhledu. V rozhovoru pro Daily Record uvedla, že její skotský přízvuk jí pravděpodobně dal výhodu v castingové místnosti tím, že ji dal vyniknout.
Daniel Radcliffe, herec, který hraje Harryho Pottera, řekl, že Katie považuje za „úžasnou“ a „opravdu úžasnou herečku“. Její nejlepší kamarádkou na place je prý Bonnie Wrightová, která ve filmech ztvárňuje Ginny Weasleyovou. Leung odložil plány jít na uměleckou školu a univerzitu, aby mohl natočit Harryho Pottera a Fénixův řád. Ve filmu se Katie a Daniel políbí na obrazovce, což je fakt, který získal velkou pozornost médií. Na otázku, zda se vrátí na šestý film, Leung odpověděl: „Myslím, že ne. Cho je krátce zmíněna v knihách, ale snaží se nacpat tolik do filmů, že si myslím, že pro ni nebude místo.“ Leung také poskytl hlas Cho Changové ve videoherních adaptacích Harryho Pottera a Fénixův řád a Harry Potter a Princ dvojí krve. V červenci 2007 byla Katie požádána Gold Label Records, známou nahrávací společností v Hongkongu, aby si zahrála hlavní ženskou postavu v hudebním videu k písni nazvané Love Coming Home (愛家) od Lea Kua. Leung souhlasila, jakmile obdržela pozvání, a natáčela film v Londýně mezi tím, co pilně propagovala nový film o Harrym Potterovi. Leo popsal Katiino herectví jako „profesionální“ a „zralé“. V září 2008 měla Leung svůj televizní debut jako školačka Hsui Tai v epizodě „Cat Amongst The Pigeons“ seriálu Poirot, založeném na románech Agathy Christie.
V roce 2017 se také objevila ve filmu T2: Trainspotting, kde hrají také Kelly Macdonaldová a Shirley Hendersonová. Leungová je držitelkou dvou titulů BA v oboru fotografie a divadla, které získala na Edinburgh College of Art, respektive na Royal Conservatoire of Scotland.