A Heves megyei Verpeléten született. Apja teherautósofőr volt, szülei válása után édesanyjával és két testvérével maradt. Első húsz évét Egerben élte le, iskolás korában a verekedős, vagány gyereket "Dinamit Katinak" becézték, egyénisége alakulásában nagy szerepe volt kedvenc időtöltésének, a sportnak.

A zenével középiskolás korában kezdett ismerkedni: a gimnázium amatőr zenekarával Little Richard-dalokat énekelt, s mivel akkoriban főleg a dzsessz érdekelte, otthon Ella Fitzgerald előadásmódját próbálta utánozni.

1962-ben jelentkezett először a Ki mit tud?-ra, de már az első rostán kibukott, az indoklás szerint: "amit ő csinál, az nem éneklés, hanem inkább ordibálás". Annyira elment a kedve az egésztől, hogy többet próbálkozni sem akart, az 1965-ös versenyre a tudtán kívül nevezte be édesanyja. Első lett, s ezzel beindult a karrierje. A versenyen egy debreceni dzsesszegyüttes kísérte, amelynek zongoristája Koncz Tibor, későbbi férje, mentora és komponistája volt.

Az Egerből Budapestre került orvos-írnok lány a Bartók Béla Zeneművészeti Szakközépiskola dzsessz-tanszakára kezdett járni, de továbbra is nehezen élt, a Ki mit Tud?-ra még az orvosa vett neki cipőt.

1966-ban a Rádió Tánczenei Stúdiójának növendéke lett, s ebben az évben megnyerte az első Táncdalfesztivált is a Nem leszek a játékszered című dallal. A hatvanas évek második felében nagyon sok tehetséges énekesnő bukkant fel, de a népszerűségi listák élén – akárcsak a beategyütteseknél az Illés, Omega, Metró nagy hármasa – hamar kialakult az egymással rivalizáló "triumvirátus": Koncz Zsuzsa, Kovács Kati, Zalatnay Sarolta. A zenekarokkal ellentétben ők sosem álltak együtt színpadon, s ez nem Kovács Katin múlott.

1967-ben fedezte fel a film: hosszas rábeszélésre szerepet vállalt Kardos Ferenc első filmjében, az Ünnepnapokban. Az Eltávozott nap és a Fejlövés című filmekben nyújtott alakításaiért 1968-ban megkapta az év legjobb női főszereplőjének járó díjat, ugyanebben az évben főszerepet játszott még a Holdudvar, a Fényes szelek és A hamis Izabella című filmekben is.

Bár hanganyaga és csaknem ötoktávnyi hangterjedelme a legnehezebb dzsessz-, gospel-, spirituálé- és bluesdalok eléneklésére is alkalmassá tette, a népszerűség megszerzése, megtartása érdekében a közönségigényt jobban kiszolgáló slágereket választotta (Most kéne abbahagyni, A régi ház körül stb.).

Miközben folyamatosan turnézott itthon és külföldön, másodszor is megnyerte a Táncdalfesztivált: 1972-ben az Add már Uram az esőt című első magyar rock-spirituáléval diadalmaskodott. A hetvenes évek elején kétszer is nyert a Tessék választani című rádiós könnyűzenei versenyen, 1972-ben ő lett a drezdai nemzetközi táncdalfesztivál és az írországi Castlebarban a countrydalok fesztiváljának győztese. 1974-ben a legnépszerűbb külföldi énekesnek választották meg az NDK-ban, s az év sztárjának Angliában a Music Week című szaklap listáján.

A legjobb szerzők is szívesen írtak neki dalokat. 1974-ben és rá két évre Presser Gáborral és az LGT-vel készített két lemezt olyan slágerekkel, mint a Rock and roller, a Szólj rám, ha hangosan énekelek, Az eső és én vagy a Közel a naphoz. 1978-ban egy kivételes albumot írtak a számára, a két szerző, Szörényi Levente és Adamis Anna sem előtte, sem azóta nem dolgozott együtt. Közben vissza-visszatért a hagyományos tánczenéhez, az ezekben az években felvett Ha legközelebb látlak, Indián nyár, Találkozás egy régi szerelemmel és más dalok örökzöld slágerekké váltak. Két album erejéig (1979, 1983) a V'Moto-Rock együttessel is együtt dolgozott, a dalok komponistája második férje, Lerch István – a zenekar billentyűse – volt. Számos dalához ő maga írta a szöveget, így Vangelis híres filmzenéjének feldolgozásához is (A Paradicsom meghódítása – 1492). A hetvenes években sokat dolgozott Hofi Gézával és Koós Jánossal a zenés paródia műfajában.

Az éneklés számára szenvedély, lételem: "Tudom, hogy erre születtem. Igazán azóta vagyok az, aki, amióta ezt csinálom, és addig maradok, amíg csinálni tudom" – nyilatkozta.

Kovács Kati számos rekordot tudhat a magáénak: 42 nagy- és 92 kislemeze jelent meg, ebből 25 külföldön. Több mint háromszáz gyűjteményes albumon jelentek meg felvételei, legalább 500 dal van a repertoárjában. Lemezei világszerte több mint tízmillió példányban keltek el, a magyar hanglemezgyártás történetében neki jelent meg a legtöbb szólólemeze. Idehaza az ő dalait dolgozták föl legtöbbször, s előadták már őket angolul, németül, franciául, finnül, spanyolul, olaszul, csehül és oroszul is.

1986-ban Liszt Ferenc-díjat kapott, 1994-ben a Magyar Köztársasági Érdemrend kiskeresztje 2011-ben tisztikeresztje kitüntetést vehette át. 2014-ben lett Kossuth-díjas "a magyar könnyűzenei kultúrában játszott műfajteremtő szerepéért, határainkon túl is nagy népszerűségnek örvendő, páratlanul gazdag előadóművészi tevékenységéért, több évtizedes művészi pályafutása elismeréseként". 2011-ben Budapest, 2013-ban Eger díszpolgára lett.

Napjainkban is páratlan energiával, fiatalosan, jó kondícióban koncertezik, utóbbihoz nagymértékben hozzájárul, hogy rendszeresen teniszezik negyedik férjével, akivel több mint huszonkét éve él boldog házasságban. Idén ősszel-télen fiatal muzsikusokból álló saját együttesével és szimfonikus zenekari kísérettel ad életműkoncertet a nagyvárosokban és Budapesten.