Heigl sinh tại Columbia Hospital for Women, Washington D.C.. Cô là con út trong gia đình Nancy (nhũ danh Engelhardt), một người quản lý cá nhân, và Paul Heigl, một giám đốc tài chính và kế toán. Cha cô là người Đức (bao gồm cả Thụy Sĩ - Đức) và gốc Ireland, và mẹ cô là người Đức gốc. Các anh chị em của cô là Meg (được thông qua), Jason (đã chết) và Holt. Heigl sống ở Virginia và sau đó là Denver, trước khi gia đình cô chuyển đến một trang trại theo phong cách Victoria ở thị trấn New Canaan, Connecticut, khi Katherine năm tuổi, và nơi cô còn sống suốt thời thơ ấu của mình. Năm 1986, anh trai của cô, Jason qua đời do bị thương trong một tai nạn xe hơi, sau khi bị đâm từ đằng sau một chiếc xe tải trong khi đi ăn trưa với một số bạn học trung học. Thi thể của anh đã được gia đình mang về sau khi chết. Cái chết của người anh của cô đã khiến cha mẹ Heigl chuyển sang Giáo hội Các Thánh Hữu Ngày Sau của Chúa Giê Su Ki Tô và Heigl được nuôi dưỡng trong đức tin đó (trước đó mẹ cô là Lutheran và cha cô Catholic).