Entrée à la Comédie-Française en 1984 ; sociétaire en 1990.

Après une formation au Conservatoire d'art dramatique d'Amiens, dans la classe de Catherine Dutrillo, Catherine Sauval intègre les classes de Jean-Pierre Miquel, Jacques Lassalle et Denise Bonal au Conservatoire national supérieur d'art dramatique de Paris. Elle entre à la Comédie-Française le 15 septembre 1984. Elle est nommée 483e sociétaire le 1er janvier 1990.
Durant la saison 2007/2008, Catherine Sauval endosse sous la direction de Jean Liermier le rôle de Prothoé dans Penthésilée d'Heinrich von Kleist sur la scène de la Salle Richelieu.
Elle a interprété la saison précédente Marie Rozérieulles dans Le Retour au désert de Bernard-Marie Koltès, mise en scène de Muriel Mayette-Holtz, ainsi que Suzy dans Les Temps difficiles d’Édouard Bourdet mis en scène par Jean-Claude Berutti au Théâtre du Vieux-Colombier.

Elle a interprété Mama Binocla dans Bouli redéboule de Fabrice Melquiot, mise en scène de Philippe Lagrue, Béline dans Le Malade imaginaire de Molière, mise en scène de Claude Stratz, Sophia Iegorovna dans Platonov de Tchekhov, mise en scène de Jacques Lassalle, Hermione dans Le Conte d’hiver de Shakespeare, mise en scène de Muriel Mayette-Holtz, Anna dans Papa doit manger de Marie NDiaye, mise en scène d’André Engel, Nicole dans Le Bourgeois gentilhomme de Molière, mise en scène de Jean-Louis Benoit, Cécilie dans Un garçon impossible de Rosenlund, mise en scène de Frédéric Bélier-Garcia. Elle a en outre incarné Charlotte dans Dom Juan de Molière, Héléna dans Le Songe d'une nuit d'été de Shakespeare, Junie dans Britannicus de Racine, Célimène dans Le Misanthrope de Molière, Maguelonne dans Le roi s'amuse de Victor Hugo. Hors Comédie-Française, elle a notamment joué les rôles de Marcinelle dans L'Intervention de Victor Hugo dirigée par Philippe Lagrue et participé aux spectacles Noce d'Elias Canetti sous la férule de Gabriel Garran. Catherine Sauval est chevalier dans l'Ordre des Arts et des Lettres.

Elle a quitté la troupe le 31 décembre 2015.