Formée en génétique des populations, statistiques et santé publique (ENS Lyon, Université Paris Sud, University of Chicago), Catherine Bourgain est docteur en génétique épidémiologique, habilitée à diriger des recherches.
Elle a travaillé pendant une dizaine d'années au développement de méthodes statistiques pour l'étude génétique des maladies complexes, appliquées à l'asthme, les maladies auto-immunes ou cardiovasculaires.
Depuis 2013, elle a rejoint le Cermes 3 - laboratoire multidisciplinaire consacré à l’analyse sociale des transformations contemporaines des mondes des sciences, de la médecine et de la santé, ainsi que leurs rapports à la société - au sein duquel elle mène des enquêtes de sciences sociales sur les technologies génomiques, dans le champ du cancer et des maladies cardiovasculaires. Elle a notamment travaillé sur les tests génétiques pour les thrombeuses veineuses.
Catherine Bourgain est membre du Comité d'Ethique de l'Inserm. En 2019, elle a pris la direction du Cermes3.