Çin kökenli Lily Valentine ve Rus Yahudisi kökenli Joseph Cates'in (1924-1998) kızı olarak New York'ta doğdu. Juilliard School gibi bazı önemli sanat okullarına devam etti. Çocukluk döneminde balet olmak isteyen Cates, 15 yaşında geçirdiği sakatlık sonrası baleyi bıraktı ve profesyonel olarak modellik yapmaya başladı. Ancak modellik dünyasından hoşlanmadı ve şansını sinemada denemeye karar verdi. 1981'de çekilen, ancak 1982'de gösterime giren romantik film Paradise, ilk sinema deneyimi oldu. Asıl şöhretini ise 1982 yılında onu çok popüler hale getiren ve bir ikon olan Fast Times at Ridgemont High'ın ardından yakaladı. Özellikle üstsüz ve bikinili olarak bir çok görüntüsünün bulunduğu ve yavaş çekim fantezi görüntüleri ile hatırlarda kaldı. Sean Penn, Jennifer Jason Leigh ve Brian Backer gibi isimlerin de olduğu Fast Times at Ridgemont High, 1980'lerin en çok hatırlanan gençlik filmleri arasına girdi. Cates de dönemin Brooke Shields gibi akıllarda yer etmiş, masum ifadeli yıldızları arasına girdi.
1984'te Gremlinler filminde Kate Beringer rolünde oynadı ve 1990'da Gremlinler 2'de aynı rolü tekrar etti. Bu yıllarda oynadığı diğer kayda değer filmler Date with an Angel, Heart of Dixie ve Drop Dead Fred'dir. 1994 yapımı Princess Caraboo filminin tamamlanması ve ikinci çocuğunun doğumunun ardından sinemaya uzun bir süre ara verdi. 2001 yılında eşi ve 2 çocuğunun da rol aldığı The Anniversary Party filmiyle sinemaya kısa bir dönüş yapan Cates, sonraki yıllarda herhangi bir filmde rol almadı.
1989'da kendisinden 16 yaş büyük aktör Kevin Kline ile evlendi. Owen (d. 1991) ve Greta Kline (d. 1994) adlarında iki çocuk dünyaya getirdi.