Katharine được sinh ra ở Los Angeles, California. Cha của cô là Daniel McPhee là nhà sản xuất truyền hình, còn mẹ của cô là bà Peisha (nhũ danh Burch) McPhee, là huấn luyện viên thanh nhạc của American Idol từ năm 2011. Cả gia đình chuyển tới khu Sherman Oaks thuộc Los Angeles khi cô 12 tuổi. Peisha nhận ra được khả năng âm nhạc của con gái và quyết định tập luyện thanh cho Katharine. Chị gái của Katharine là Adriana cũng là huấn luyện viên thanh nhạc của American Idol từ năm 2012. Katharine có tổ tiên người Irish, Scottish và Đức.

Katharine theo học ở trường Trung học Notre Dame ở Sherman Oaks, cô cũng tham gia trình diễn trong các buổi biểu diễn nhạc kịch và âm nhạc ở trường. Cô tốt nghiệp vào năm 2002. Cô học ở Boston Conservatory được 3 học kì, chuyên ngành nhạc kịch. Katharine rời trường đại học trước khi tốt nghiệp theo lời khuyên của quản lý, trở về Los Angeles để tham gia thử vai. Katharine được nhận một vai trong một chương trình của MTV sản xuất tên You Are Here, cô thủ vai một người chị của một cô gái nổi tiếng. Tuy nhiên, MTV không bao giờ chiếu loạt phim này.

Tháng 3/2005, cô nhận vai Annie Oakley trong nhạc kịch Annie Get Your Gun do nhà hát Cabrillo sản xuất. Cô còn được đề cử cho giải "Nữ diễn viên nhạc kịch xuất sắc" của giải Los Angeles Stage Ovation. Katharine cũng có một vai nhỏ Paramount Girl trong bộ phim nhạc kịch năm 2007 Crazy, dựa trên cuộc đời của Hank Garland. Katharine ghi hình cho bộ phim vào đầu năm 2005, trước khi đi thi American Idol.

Katharine mắc chứng rối loạn ăn uống. Cô kể với tạp chí People rằng khi cô 13 tuổi, cô bắt đầu tự bỏ đói mình và tập thể dục điên cuồng, ở tuổi 17, mỗi lần ăn là cô lại ói. Cô tăng lại kí do ăn không ngừng nghỉ. Sau 7 năm đương đầu với bệnh tật, cô tham gia chương trình chữa trị hồi phục 3 tháng sau khi thành công ở vòng thử giọng của American Idol; chương trình hồi phục của cô kết thúc chỉ một thời gian ngắn trước khi vòng bán kết được diễn ra vào tháng 2 năm 2006. Trong suốt thời gia diễn ra cuộc thi, cô sụt 14 kg trong quá trình điều trị.

Cô kể với tạp chí Teen Vogue vào tháng 5 năm 2007, "tôi thèm cái gì ăn cái đó, tôi chỉ cẩn trọng về phần ăn của mình thôi". Cô cùng chị của mình xuất hiện trong chương trình The Dr. Keith Ablow Show vào ngày 18 tháng 9 năm 2006 để thảo luận về chứng ói và nỗi sợ cha của mình. Trong chương trình đó, cô cũng tiết lộ là mình được chẩn đoán với chứng khó học trong những năm trung học, nhưng hóa ra là chứng liên quan tới khúc xạ đã khiến cô gặp khó khăn trong việc đọc. Katharine cũng tiết lộ rằng mình được xem là cô gái "xinh xắn nhưng ngu ngốc" trong trường vì chứng khó đọc.