Stana Katic werd geboren in Hamilton, Ontario en is van Kroatische afkomst. Op jonge leeftijd verhuisde ze met haar ouders van Canada naar Amerika. Nadat ze klaar was met high school, vetrok ze weer naar haar geboorteland om daar aan de universiteit van Toronto Milieurecht te gaan studeren. Daarnaast deed ze af en toe ook wat modellenwerk. Toen een vriend haar een rolletje in een indie-film gaf, was dat het begin van haar acteercarrière.

Stana nam acteerlessen aan de Goodman School of Drama in Chicago en was te zien in verschillende toneelstukken. De actrice maakte haar filmdebuut met de studentenfilm Acid Freaks. Daarnaast had ze rollen in series als JAG, Alias, The Closer, ER  en The Shield.  Op het grote scherm was ze onder meer te zien in Shut Eyes, Pit Fighter,  Quantum of Solace en The Spirit.

Stana is meertalig en spreekt vloeiend Engels, Frans, Italiaans, Kroatisch, Bosnisch, Servisch en Slowaaks. Daarnaast is ze ook erg muzikaal. De actrice is mezzosopraan en haar zangkunsten zijn te bewonderen in de televisiefilm The Librarian: The Curse of the Judas Chalice.