Katy O’Brian, de ascendencia afroamericana y euroamericana, comenzó artes marciales a los 5 años y obtuvo el cinturón marrón en Shorei Goju Ryu a los 9. Estudió psicología y estudios germánicos en Indiana University Bloomington, donde también consiguió su cinturón negro en hapkido y formación como oficial cadete. Trabajó siete años como oficial de policía en Carmel, Indiana, con enfoque en intervención en crisis. También compitió en fisicoculturismo y se formó en actuación.
En 2016 se mudó a Los Ángeles para dedicarse a la actuación, enseñó defensa personal en UCLA y se entrenó en Muay Thai y jiu-jitsu brasileño. Apareció en The Walking Dead, Z Nation, Black Lightning, Westworld, Agents of S.H.I.E.L.D. y como Elia Kane en The Mandalorian. En 2023 interpretó a Jentorra en Ant-Man and the Wasp: Quantumania. En 2024 coprotagonizó Love Lies Bleeding junto a Kristen Stewart y se unió a Mission: Impossible – The Final Reckoning (2025) como buzo de la Marina.