Katie Leung kariyerine Warner Brothers'ın uzun metrajlı filmi Harry Potter ve Ateş Kadehi'nde Cho Chang rolüyle başladı ve bu rolü daha sonra Harry Potter ve Zümrüdüanka Yoldaşlığı ve Harry Potter ve Ölüm Yadigarları (Bölüm II) için tekrarladı. Katie oyunculuk kariyerinin yanı sıra İskoçya Kraliyet Konservatuarı'nda eğitim almıştır. Profesyonel tiyatrodaki ilk çıkışını, Nisan 2012'de Londra Young Vic Tiyatrosu'na transfer olmadan önce Boston'da prömiyeri yapılan Sacha Wares'ın Vahşi Kuğular oyununda Er-Hong rolüyle yaptı. Daha sonra National Theatre'da Frances Ya-Chu Cowhig'in The World of Extreme Happiness adlı oyununda Sunny'nin başrolü olarak sahne aldı. Katie yakın zamanda Royal Court Theatre'da Mia Chung'ın You For Me For You adlı oyununda ve Tony Kushner'in The Intelligent Homosexual's Guide to Capitalism and Socialism with a Key to the Scriptures adlı oyununda Michael Boyd'un yönettiği Hampstead Theatre'da başrol olarak yer aldı. Son olarak Royal Shakespeare Company'de Snow in Midsummer'ın oyuncu kadrosunu yönetti. Ekim 2014'te Katie, 2013'te yeni ortaya çıkan genç İngiliz yetenekleri tanımak ve desteklemek amacıyla kurulan BAFTA'nın Çığır Açan İngilizlerinden biri olarak ilan edildi. Televizyonda, Güney Londra'daki dört kişinin hayatlarını konu alan Channel 4'ün beğenilen draması Run'da başrollerden birini oynadı. Televizyondaki diğer rolleri arasında ITV1'in Poirot ve BBC'nin Father Brown dizileri bulunmaktadır. Katie ayrıca Guy Hibbert tarafından yazılan ve John Alexander tarafından yönetilen, Şubat 2016'da BBC2'de yayınlanan One Child'da Mei rolüyle başrolde yer aldı. Yakın zamanda Martin Campbell'ın The Foreigner adlı filminde Pierce Brosnan ve Jackie Chan ile birlikte rol aldı ve şu anda ITV'nin yeni dizisi White Dragon'un (2018) baş karakterlerinden biri olan Lau Chen'i canlandırıyor. 2022 yılında oğlu Wolf'u dünyaya getirdi.