Katie commence sa carrière d'actrice en 2004, en commençant par jouer dans la série 7 à la maison, elle incarne le personnage de Zoé dans les épisodes 13, 15 et 19 de la saison 9. Puis, elle apparait dans la première saison de Sex, Love & Secrets en 2005.
En 2006, elle donne la réplique à Camilla Belle dans le thriller Terreur sur la ligne de Simon West. Cette même année, elle joue dans le film d'horreur Black Christmas en incarnant le rôle principal de Kelli Presely, aux côtés de Michelle Trachtenberg (vue dans la série Buffy contre les vampires), et Mary Elizabeth Winstead (vue dans les films Destination Finale 3 et Die Hard 4 : Retour en enfer), et dans le film Click avec Adam Sandler, Kate Beckinsale et David Hasselhoff.
Elle revient à la télévision en 2007, dans un rôle important pour lequel elle s'est vraiment fait connaître ; Ruby dans la 3e saison de la série fantastique Supernatural, avec les acteurs Jensen Ackles et Jared Padalecki. À partir de la 4e saison, elle est remplacé par Genevieve Cortese.
Elle continue sa carrière dans le cinéma en 2008, avec le film Live ! aux côtés de Eva Mendes. Cette même année, Katie Cassidy joue dans le film The Lost. Puis, avec Maggie Grace, (vue dans la série Lost), elle joue dans le film Taken, un thriller/action qui raconte l'histoire d'un père prêt à tout pour retrouver sa fille enlevée.
En 2009, elle décroche le rôle du personnage Ella Simms dans la nouvelle série ; Melrose Place, qui est un remake de la version des années 1990. Puis, Cassidy décroche à nouveau un rôle important, dans la série Harper's Island, aux côtés de Matt Barr (c'est d'ailleurs sur le tournage de cette série qu'ils se sont rencontrés).
En 2010, elle intègre le casting de la saison 4 de la série à succès Gossip Girl diffusée sur The CW, elle interprète le rôle de Juliet Sharp. Elle obtient de plus le rôle de Kris Fowles, une superbe étudiante en proie à d'horribles cauchemars dans le film Freddy : Les Griffes de la nuit, remake du célèbre film de Wes Craven sorti en 1984.
Katie Cassidy avait aussi été repéré pour incarner Félicia dans la comédie romantique Valentine's Day, mais c'est Taylor Swift qui a finalement obtenu le rôle.
Elle joue en 2011 dans le film Bienvenue à Monte-Carlo aux côtés de Selena Gomez, Leighton Meester et Cory Monteith.
Elle a pendant un temps été pressentie pour interpréter le rôle de Lucy Ewing dans l'adaptation cinématographique de la célèbre série télévisé des années 70/80 ; Dallas, mais le projet est toujours en « stand-by ».