Obtuvo un Ph.D. en Matemáticas de Harvard, fue postdoctorada en el departamento de Matemáticas del MIT y profesora en el Barnard College, donde publicó una serie de trabajos de investigación en geometría algebraica aritmética. Luego se cambió al sector privado, trabajando como experta en análisis y gestión de información cuantitativa para el fondo de cobertura D. E. Shaw en medio de la crisis crediticia, y luego para RiskMetrics, una compañía de software de riesgo que evalúa el riesgo para las tenencias de fondos de cobertura y bancos. Tras desencantarse del mundo de las finanzas, O’Neil se involucró con el movimiento Occupy Wall Street, participando en su Grupo de Banca Alternativa. Dejó las finanzas definitivamente en 2011 y comenzó a trabajar como científica de datos en el sector de start-ups de Nueva York, creando modelos que predecían las compras y los clics de las personas. Es una invitada semanal en el podcast Slate Money. Es coautora (con Rachel Schutt) de Doing Data Science: Straight Talk from the Frontline. También escribió el libro electrónico Being a Data Skeptic.
Su libro Armas de destrucción matemática fue publicado en Estados Unidos en 2016 y fue nominado para el National Book Award 2016 en la categoría de no ficción. Cathy mantiene el blog mathbabe.org, donde opina sobre todo lo cuantitativo. En él espera encontrar una respuesta mejor a la pregunta: «¿Qué puede hacer un matemático no académico para que el mundo sea un lugar mejor?».
