Katharina Thalbach entstammt einer Theaterfamilie, ihr Vater war der Regisseur Benno Besson, ihre Mutter war die Schauspielerin Sabine Thalbach. Der Schauspieler Pierre Besson und der Regisseur Philippe Besson sind ihre Halbbrüder, und  ihre Tochter Anna Thalbach ist Schauspielerin