Catherine Chamié nació en Odesa el 13 de diciembre de 1888. Su padre, Antoine Chamié, era de origen franco-sirio y su madre, Hélène Golovkine, rusa.
Como Sofia Kovalevskaya, Julia Lermontova y otras mujeres rusas, Catherine Chamié tuvo que buscar en Europa su derecho a la educación. En el año 1907 dejó su país natal para comenzar sus estudios superiores en la Facultad de Ciencias de la Universidad de Ginebra (Suiza). En 1913 defendió su tesis doctoral en física eléctrica bajo la dirección de Charles-Eugène Guye (1866-1942); llevaba por título Influence de la rapidité des variations du champ magnétisant sur l’hystérésis alternative (Influencia de la rapidez de las variaciones del campo magnético en la histéresis alternativa).
Y regresó a Rusia, donde estudió voltajes en tubos de descarga en la Universidad de Petrogrado (antiguo nombre de San Petersburgo) en los años 1913-1914. Durante la Primera Guerra Mundial, Catherine Chamié trabajó como enfermera voluntaria en la clínica instalada en la Universidad de Odesa; lo hizo hasta 1916. El 4 de abril de 1919, junto a su madre, sus dos hermanos y su hermana, Catherine huyó de Odesa con las tropas francesas y emigró a Francia. La familia obtuvo la nacionalidad francesa en 1929.
Se instalaron en París y, en 1920, Catherine comenzó a trabajar como profesora de ciencias en el liceo ruso de aquella ciudad y a impartir algunas clases particulares.
El 21 de enero de 1921 escribió a Marie Curie solicitándole un puesto no remunerado de ayudante, a tiempo parcial, en su laboratorio. Comenzó a trabajar en el Laboratorio Curie del Instituto del Radio el 15 de abril de 1921. Poco tiempo después consiguió una beca de investigación y posteriormente un empleo remunerado: trabajaría durante casi treinta años en este centro de investigación.
En el laboratorio Curie, en el departamento de medidas, Catherine Chamié se ocupaba principalmente de la preparación de sales de radio y del análisis de minerales radioactivos procedentes de El Congo. En 1934 pasó a ser la responsable de ese departamento al dejarlo Renée Galaber, su anterior encargada.
Además de certificar los niveles de radioactividad de los productos que le enviaban y fabricar dosis precisas, Chamié también debía fabricar estándares secundarios. Entre 1921 y 1950 publicó cuarenta y tres artículos de investigación en revistas como los comptes-rendus de l’Académie des sciences, el Journal de physique o el Journal de Chimie-Physique.
Su trabajo personal se centró en el efecto fotográfico de las agrupaciones atómicas: Otto Hahn e Irène Joliot-Curie lo denominaron posteriormente el efecto Chamié. Catherine Chamié presentó este descubrimiento en su artículo Formation du corps solide par les radioéléments presentado en el Journal de Physique et le radium en 1946.
Además de su trabajo como profesora de secundaria por las mañanas y de su labor en el laboratorio Curie por las tardes, Catherine Chamié seguía cursos de filosofía del conocimiento y de psicología en el Collège de France. En este área publicó dos trabajos: Principes nouveaux de psychologie, leur application à l’étude des systèmes de connaissances et de la personnalité (Nuevos principios de la psicología, su aplicación al estudio de los sistemas de conocimiento y de personalidad) en 1937 y Psychologie du savoir, formation, structure et évolution du savoir scientifique (Psicología del conocimiento, formación, estructura y evolución del conocimiento científico) en 1950.
A pesar de que solo trabajaba a tiempo parcial en el laboratorio, las tareas de las que estaba encargada y su propia investigación le costaron, según sus propias palabras: «una dermatitis por radiación en la mitad de la mano izquierda, una pérdida parcial de la elasticidad de los tejidos de cinco dedos, hipersensibilidad a la radiación de los ojos y de la cara, una fórmula leucocitaria invertida y anemia recurrente debida a una caída de glóbulos rojos».
Enferma debido a su constante exposición a la radiación, falleció el 14 de julio de 1950. Entregada a la ciencia, preocupada por mantener a su familia, siempre vivió al límite de la pobreza.