Quinlan va néixer a Pasadena (Califòrnia), filla de Robert Quinlan, director de televisió, i Josephine (Zachry), militar en la reserva.[3] Kathleen va créixer al poble californià de Mill Valley, on va anar al Tamalpais High School i on va començar la seva carrera d'actriu. Es va casar amb el també actor Bruce Abbott el 1994, relació de la qual naixerien dos fills.[1]
Quinlan va debutar en l'obra de George LucasAmerican Graffiti amb dinou anys (encara que apareixeria en una obra anterior de 1972 One is a Lonely Number però sense figurar als crèdits). Des d'aleshores, ha intervingut en gairebé cinquanta pel·lícules. Malgrat tot, els seus papers més notables són les de Deborah, una esquizofrènica a la pel·lícula I Never Promised You a Rose Garden, i el de Marilyn Lovell a Apol·lo 13, paper pel qual aconseguiria una nominació als Oscar el 1995. També és recordada per la seva interpretació de l'amant pagana Patricia Kennealy a l'obra d'Oliver Stone The Doors. Els seus treballs més recents[Cal actualitzar] inclouen la televisió, en capítols de House, i el film de 2007, Breach. Especial esment mereix, dins de la pantalla petita, la seva participació en la sèrie Lleis de Família en la qual va interpretar una advocada especialitzada en crisis matrimonials.