Co-fondatrice, en 1972, de la revue artpress, Catherine Millet a contribué à faire mieux connaître en France l'abstraction américaine et son héritage : l'art conceptuel ou encore le groupe Support-Surface. En 1981, toutefois, elle organise pour l'ARC, musée d'art moderne de la Ville de Paris, l'exposition Baroques 81, qui enregistre le retour en force d'une peinture principalement figurative.
Elle a été commissaire de la France pour la Biennale de São Paulo en 1989, puis pour la Biennale de Venise en 1995, choisissant de présenter César dans le pavillon français. Outre des monographies (Yves Klein, Salvador Dali), elle est l'auteur de l'Art contemporain en France (1987) et de l'Art contemporain, histoire et géographie (2006), régulièrement réédités.
À partir de 2001, elle s'engage parallèlement dans une oeuvre littéraire autobiographique. La Vie sexuelle de Catherine M. rencontre un succès mondial. Suivront d'autres titres : Jour de souffrance et Une enfance de rêve. En 2017, elle publie Aimer Lawrence, essai consacré à l'auteur de l'Amant de Lady Chatterley.