Originaire de Sardaigne, Caterina Murino entame une carrière de mannequin après avoir décroché la quatrième place du concours Miss Italie en 1996. Aspirant au métier de comédienne, elle se produit sur les planches à partir de 1999 et fait ses débuts sur le petit écran en 2002, apparaissant notamment dans la série Don Matteo et dans le téléfilm Le Jeune Casanova. Au générique du film italo-argentin Nowhere (2002), Caterina Murino remporte son premier rôle important, celui de Léa, dans la comédie française L'Enquête corse (2004) adaptée de la célèbre bande dessinée de Pétillon. Sous le charme de la belle Italienne, son partenaire Christian Clavier l'engage dans la folle aventure des Bronzés 3 amis pour la vie. Entre-temps, l'actrice parvient à faire tourner la tête des flics Pascal Elbé et Jean Dujardin dans L'Amour aux trousses (2005).Ne s'arrêtant pas en si bon chemin, elle tente une carrière internationale, décrochant au passage le rôle de la James Bond girl Solange Dimitrios dans le Casino Royale (2006) de Martin Campbell. De retour sur sa terre natale, elle tourne Ciao Stefano (2008) de Gianni Zanasi, puis apparaît la même année dans Le Grand alibi de Pascal Bonitzer et Made in Italy de Stéphane Giusti.
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