La Ricciarelli nasce in una famiglia poco agiata. La madre, abbandonata dal marito arruolatosi come volontario nella campagna nazifascista di invasione della Russia, è costretta a crescere da sola le tre figlie. Katia, ultimogenita, avuta dalla relazione con un altro uomo conosciuto durante un soggiorno lavorativo in Germania, dimostra sin dall'adolescenza un forte interesse per il canto, svolgendo nel frattempo diversi lavori per sostenersi (tra cui l'operaia in una fabbrica di dischi). La madre, con grandi sacrifici economici, riesce a iscriverla al Conservatorio Benedetto Marcello di Venezia. Debutta a Mantova nel 1969 con La bohème e l'anno successivo al Regio di Parma col Trovatore, ma sale alla ribalta nel 1971 dopo aver vinto il Concorso Internazionale Voci Verdiane della RAI. Nel corso della sua carriera si è esibita nei migliori teatri del mondo spaziando tra le opere di Puccini, Verdi, Rossini, Donizetti ed altri ancora, raggiungendo livelli di particolare eccellenza nella seconda metà degli anni '70. Negli anni ottanta il declino si è fatto progressivamente più evidente, causandole alcuni fiaschi, soprattutto di fronte a ruoli troppo spinti per le sue caratteristiche vocali. Ad esempio, nel 1983 la Ricciarelli cantò l'Aida alla Royal Opera House di Londra, forte dell'incisione di due anni prima e dell'irrobustimento della voce, ma fu fischiata a causa della difficoltà negli acuti estremi; tre anni dopo, fece il suo infelice debutto a Trieste con Norma. Inoltre è nota la performance alla Scala del maggio 1989 con Luisa Miller, in cui la Ricciarelli riscosse un fiasco. Negli stessi anni ottanta, peraltro, la Ricciarelli iniziò una collaborazione decennale col Rossini Opera Festival di Pesaro e fu in grado di cogliere ancora successi notevoli, talora anche clamorosi, nel repertorio belcantista. Intensa anche la sua attività discografica, divisa tra opere complete e recital. Tra le incisioni si segnalano il Tancredi live alla Carnegie Hall e la Tosca, più in generale le registrazioni datate anni '70, in cui l'assetto vocale era intatto. Nella sua attività lirica e concertistica ha collaborato spesso con José Carreras, Ruggero Raimondi, Agnes Baltsa, Samuel Ramey, Lucia Valentini Terrani, Plácido Domingo, Renato Bruson, Leo Nucci, ed è stata diretta da molti grandi direttori quali Riccardo Muti, Zubin Mehta, Herbert Von Karajan, Sir Colin Davis, James Levine, Claudio Abbado, Lorin Maazel,  e molti altri. Nel 1994, per i suoi venticinque anni di carriera, è insignita del titolo di Kammersängerin a Vienna e di Grande Ufficiale della Repubblica Italiana. Nel 1999 ha festeggiato il 30º anniversario di carriera con nuovi debutti operistici (Fedora di Giordano), concerti, mostre, e numerose apparizioni televisive. Negli anni 2000 ha sfoltito la carriera operistica, limitando la sua attività al Teatro Politeama di Lecce. Sempre nel 2002 ha tenuto dei concerti a Nuova Delhi, Cordoba, Buenos Aires, Cartagine e San José, cantando inoltre il ruolo principale nella première di una nuova opera, Il fantasma della cabina, andata in scena al Teatro Donizetti di Bergamo il 13 dicembre. È in questo periodo che all'attività teatrale affianca la nuova carriera di attrice, inizialmente in film TV e fiction, successivamente in film d'autore, ricoprendo anche ruoli da protagonista come nel 2005 ne "La Seconda Notte Di Nozze" di Pupi Avati la cui interpretazione le valse il Nastro D'Argento. Nel nuovo millennio volge inoltre la sua attenzione ai musical, interpretando in tournée le commedie Caruso (2002) e Gloriosa (2008). Il 3 gennaio 2009 ha ricevuto la cittadinanza onoraria di Pellezzano, comune in provincia di Salerno. Il 6 novembre 2009 festeggia i 40 anni di carriera con un concerto al Teatro La Fenice di Venezia duettando con le più grandi voci della musica classica e pop: da Mietta a Cecilia Gasdia, da Michael Bolton a Massimo Ranieri. Il concerto evento, condotto da Cristina Parodi, è stato trasmesso il 19 dicembre, in prima serata, su Canale 5. Nel 2010 è ospite fissa in qualità di giudice nella trasmissione Io canto su Canale 5. Nel 2010 ha partecipato al film documentario Pupi Avati, ieri oggi domani, dedicato al regista Pupi Avati. Nasce nel 2011 la Fondazione Katia Ricciarelli per la Vita Onlus di cui è presidente. Dopo una lunga relazione col tenore Josè Carreras, durata 13 anni, il 18 gennaio 1986 sposa il presentatore televisivo Pippo Baudo; la coppia si separerà nel 2004.