Née d'un père peintre juif, résistant d'origine polonaise et déporté durant la Seconde Guerre mondiale (dont elle raconte l'histoire dans C'était un homme, sur l'album Cool Frénésie des Rita Mitsouko en 2000), et d'une mère architecte, Catherine quitte le foyer familial à 13 ans. Elle étudie un temps à l'université et s'intéresse au théâtre, à la danse, au chant.
Vers l'âge de 18 ans, poussée par le désir d'expérimentation, elle tourne dans plusieurs films pornographiques entre 1976 et 1982. Elle a aussi posé pour la revue danoise Sex Bizarre de la Color Climax et la revue suédoise Pirate. Catherine n'a jamais renié ce passé qui pour elle n'était qu'une expérience. À ce propos, elle répondra qu'elle a vécu « l'aventure moderne » face à un Serge Gainsbourg passablement énervé, et qualifiant Catherine Ringer de « pute », répliquant qu'à son avis, « l'aventure moderne n'est pas dégueulasse ».
Catherine Ringer est danseuse, chanteuse et actrice de théâtre lorsqu'elle rencontre Fred Chichin en 1979. Ensemble ils forment le groupe Les Rita Mitsouko en 1980 qui la révèle au grand public.
Catherine Ringer et Frédéric Chichin tombent amoureux au cours de l'année 1979. Ils font quelques concerts avec la danseuse argentine Marcia Moretto, qui décèdera des suites d'un cancer. Le duo se produit sur diverses scènes comme l'Usine Pali-Kao, lieu alternatif unique à Belleville, avec quelques reprises (David Bowie, The Velvet Underground...) et leurs premières compositions originales. Leur look est comme leur musique, original et décalé (anoraks fluo ou sacs en plastique « Félix Potin ») et attire l'attention.
À noter que le nom de Rita Mitsouko est choisi pour rappeler leurs références musicales extrêmement variées : Rita se rapporte à la musique sud-américaine (et à l'actrice culte Rita Hayworth), et Mitsouko est un prénom japonais dont la première partie (Mitsu) peut s'interpréter comme signifiant "secret". Par ailleurs, Mitsouko est également le nom d'un parfum de Guerlain. Au départ simplement appelé « Rita Mitsouko », le groupe s'est rebaptisé « Les Rita Mitsouko » dès 1985, quand ils se sont aperçus que beaucoup de gens pensaient que le nom du groupe était en fait celui de la chanteuse.
Arrivent enfin quelques singles, chez Virgin, suivis de l'album Rita Mitsouko dont sera extrait le tube de l'année 1985 : Marcia Baila (en hommage à Marcia Moretto), morceau new wave dont le clip sera réalisé par Philippe Gautier, ainsi que le clip Andy. C'est le début du succès public, les tubes s'enchaînent : C'est comme ça, Les Histoires d'A. Jean-Baptiste Mondino réalise leurs clips, Jean-Luc Godard réalise le film Soigne ta droite (1987) autour de l'enregistrement de l'album The No Comprendo. Le groupe est à son sommet.
Le duo a gardé depuis 25 ans, sur disque comme sur scène, l'image d'un couple créatif et énergique, d'une grande originalité, qui ne se prend pas au sérieux et qui explore tous les courants musicaux, s'intéressant tour à tour au punk, à la new wave, au hip hop ou au jazz qu'ils réinventent sans complexes.
En août 2006, Catherine Ringer annonce sur France Inter que le groupe a enregistré une chanson avec Serj Tankian, chanteur de System of a Down.
En septembre 2006, ils participent à la création du spectacle Les Noces de l'Enfant-Roi, création d'Alfredo Arias présentée à Versailles dans le cadre du festival Fêtes de nuit de Versailles. Catherine Ringer avait déjà travaillé en solo avec Alfredo Arias, jouant et chantant le rôle titre de sa comédie musicale Concha Bonita en 2002.
Leur dernier album, Variéty, coproduit par Mark Plati, est sorti chez Because Music le 23 avril 2007. Une version en langue anglaise de l'album, Variety est sortie en juillet. Ils entament par la suite une tournée européenne des festivals qui les mène en Espagne, en Allemagne, en Suisse ou en Italie.
Le 8 octobre 2007 est sorti un mini-album composé de six titres et intitulé The Eye EP chez Because Music.
En novembre 2007, les Rita Mitsouko sont contraints d'annuler une partie de leur tournée en raison de l'état de santé de Frédéric Chichin. Ainsi, le 13 novembre, Catherine Ringer monte seule sur la scène de l'Olympia.
Le 28 novembre 2007 au matin, Frédéric Chichin meurt, à 53 ans, d'un cancer fulgurant diagnostiqué deux mois auparavant. Le groupe devait se produire le soir même à l'Olympia.
Catherine Ringer reprendra à partir du 14 mars 2008 la tournée interrompue par la disparition de Fred Chichin, avec le groupe qu'ils avaient constitué autour d'eux à la suite de l'album Variéty.
