Catherine Bernstein est née à Paris en 1964 puis a passé son enfance à Tours. Après avoir été assistante à la réalisation sur des longs métrages de fiction (d’Eric Rochant, d’Arnaud Desplechin…) elle réalise des courts métrages.
Elle tourne en Allemagne trois documentaires : Oma (prix du Jury au festival de Vic le Comte), donne la parole à des femmes allemandes ayant passé ensemble le baccalauréat en 1933, Les Raisins Verts (prix Jean Lodz de la SCAM en 2000), interroge des filles de nazis et Les Absentes, part à travers le monde à la recherche des sept juives, absentes aux retrouvailles annuelles de la classe de « Oma ».
En 2006, L’Assassinat d’une Modiste (prix de la Création au festival Traces de Vies de Clermont-Ferrand- Grand Prix du festival d’Ashkelon – Etoile de la Scam 2007) poursuit la quête quasi obsessionnelle de la cinéaste sur les traces du passé. Le film raconte l’histoire de la spoliation des juifs de France sous l’Occupation, diffusé sur Arte (Grand format).
Elle réalise en 2007 Le Chant de la Baleine une fiction de 44 minutes diffusée sur France 2 et un documentaire de la collection « Empreinte » sur le philosophe Michel Serres, (sélection au festival Trace de Vie) diffusé sur France 5.
En 2008, elle conçoit un documentaire Asylum (Prix du jury au festival sur la psychiatrie à Lorquin, Etats généraux du documentaire de Lussas, Vision du réel à Nyon) d’après des images 8mm filmées par le psychiatre Georges Daumezon dans des hôpitaux psychiatriques d’après-guerre, film diffusé sur Arte dans La Lucarne.
En 2009, elle tourne un court-métrage sur le corps, NUE (Prix du meilleur film à Saint- Petersbourg, sélectionné aux festivals de Locarno, Montréal, Nouméa, Douarnenez, Brest, Villeurbanne …), produit et diffusé sur Arte.
Un crime français retrace les circonstances de la disparition de Jean Zay, Ministre de Léon Blum assassiné par la Milice, diffusé sur France 3 en 2012.
Catherine Bernstein tourne Alan Turing, le code de la vie, un essai de 35 minutes sur Alan Turing, le pionnier anglais de l’informatique.
Elle réalise en 2014 avec Julien Simon Ils sont partis comme ça, sur une famille juive déportée de Bretagne.