1928년 미국 오하이오 주 털리도에서 태어났으며, 본명은 케이티 제르트루드 메러디스다. 작가가 되기 전에는 모델, 판매 점원, 보험회사 외판원으로 일하기도 했으며, 1956년 두 아이를 둔 주부이던 때, 빌린 타자기로 쓴 첫 단편 [The Pint-Size Genie]로 처음 데뷔한 후 과학소설, 추리소설, 판타지, 매직 리얼리즘, 서스펜스, 만화, 가족극, 라디오드라마 등 다양한 장르를 넘나들며 마흔 권이 넘는 장편 및 중단편집을 발표했다. 대표작 《노래하던 새들도 지금은 사라지고》로 1977년 휴고상과 로커스상을 받았고, 그가 트로피를 스케치하기도 한 네뷸러상에 20번 최종 후보로 올라 4번 수상했다. 독일의 쿠르트 라스비츠상, 프랑스의 쁘리 아뽈로상 등 여러 나라에서 문학상을 받았으며, 2003년 ‘SF & 판타지 명예의 전당’에 올랐다. 2016년부터 미국 SF작가협회(SWFA)는 작가의 이름을 기려 ‘케이트 윌헬름 솔스티스 어워드’상을 시상하고 있기도 하다.

케이트 윌헬름은 꾸준한 작품 활동 외에도, 판타지 작가이자 남편인 데이먼 나이트와 함께, 오늘날 최고의 SF 작가 양성 과정으로 꼽히는 [클라리온 과학소설 작가 워크숍]을 설립해 이끌었다. 윌헬름은 작 가라는 직업을 너무 대단하고 특별한, 자신과 무관한 세계의 일로 생각하는 바람에 글을 써 볼 생각조차 하지 못한 채 오랜 시간을 허비했던 자신의 경험으로부터, 작가 지망생들에게 다른 사람을 만나고 창작에 대해 고민해 볼 기회가 필요함을 절실히 깨달았다고 한다. 올슨 스콧 카드, 사뮤엘 딜레이니, 할란 엘리슨 등 명망 있는 SF 작가들이 다수 참여한 이 워크숍은 《당신 인생의 이야기》의 작가 테드 창과 같은 수많은 신진 작가를 배출해 내며 이후 다른 창작 교육 모임의 표준이 되었다.