Katey Sagal entstammt einer Familie mit bekannten Filmschaffenden. Ihre Mutter Sara Zwilling war zunächst Regieassistentin und Sängerin, bevor sie sich als Regisseurin einen Namen machte. Ihr Vater Boris Sagal, ein russisch-jüdischerEinwanderer, war ein bekannter Filmregisseur (Der Omega-Mann, The Twilight Zone). Ihre jüngeren Zwillingsschwestern Liz und Jean, die aus der Fernsehserie Double Trouble bekannt sind, sind wie ihr jüngerer Bruder Joe ebenfalls Schauspieler.
Bereits im Alter von fünf Jahren nahm Sagal Gesangsunterricht. Sie strebte eine Karriere als Sängerin an, trat in den 1970er Jahren aber vereinzelt auch als Nebendarstellerin in Filmproduktionen auf, unter anderem in einer Folge der Filmreihe Columbo unter der Regie ihres Vaters. Später arbeitete sie als Backgroundsängerin für Künstler wie Bob Dylan, Olivia Newton-John, Gene Simmons und Etta James. Als Mitglied der Gruppe „The Harlettes“, einer Band um Bette Midler, ging sie mit der Künstlerin 1979 auf Tournee, ehe sie sich im Streit von der Formation löste. Fortan verfolgte sie Soloprojekte und trat in Nachtclubs rund um Los Angeles mit selbst verfassten Texten und eigenem Showprogramm auf.
1985 nahm sie ihre Schauspieltätigkeit in der kaum beachteten Fernsehserie Mary, in der ihr eine kleine Nebenrolle angeboten wurde, wieder auf. Nebenbei nahm sie ein Angebot der „Los Angeles Theatre Company“ an für das Rockmusical Backstreet, das ihr ein Mitspracherecht an der Choreographie sowie den Liedtexten vertraglich zusicherte. Bei einer Vorstellung des Musicals wurde eine Casting-Agentur auf sie aufmerksam. Sie bekam eine Einladung zum Vorsprechen für die Rolle der Peggy Bundy in der Serie Eine schrecklich nette Familie, bei dem sie sich schließlich gegen etwa 1200 Schauspielerinnen durchsetzte. Mit dieser Rolle erlangte sie internationale Berühmtheit.
1991 wurde Sagal schwanger – unerwartet für die Produzenten von Eine schrecklich nette Familie, also wurde die Schwangerschaft in die Storyline der sechsten Staffel hineingeschrieben. Im Oktober 1991 wurde bei ihr im 7. Monat ein Kaiserschnitt durchgeführt, der in der Totgeburt ihrer Tochter endete. In der Serie wurde die Schwangerschaft dann als ein Traum ihres Mannes erklärt. Zwei spätere Schwangerschaften von ihr wurden nicht mehr in die Story der Serie eingebunden.
1999 spielte sie in einigen Folgen der Serie Die wilden Siebziger die alkoholabhängige Edna, Mutter von Steven Hyde. Außerdem sprach sie die Originalstimme von Turanga Leela in der Serie Futurama. Von 2002 bis 2005 spielte sie Cate Hennessy in der ABC-SitcomMeine wilden Töchter – bis zu seinem Tod 2003 an der Seite von John Ritter.
Am 2. Oktober 2004 heiratete Sagal zum dritten Mal. Mit ihrem jetzigen Gatten, dem Filmproduzenten und Schauspieler Kurt Sutter, hat sie eine Tochter (* 2007), ausgetragen von einer Leihmutter. Hinzu kommen zwei Kinder aus einer früheren Ehe.
Von 2008 bis 2014 spielte sie die Rolle der Gemma Teller Morrow in der Serie Sons of Anarchy von Kurt Sutter. Für diese Darstellung war sie 2010 für den Satellite Award und den Television Critics Association Award nominiert, 2011 erhielt sie dafür einen Golden Globe.
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