A inceput gimnastica la varsta de patru ani. In 2002, le-a atras atentia antrenorilor Octavian Bellu si Mariana Bitang, care au selectionat-o la lotul national.

In 2003, la Campionatele Mondiale de la Anaheim (SUA), a facut parte din echipa care a cucerit medalia de argint, iar in intrecerile pe aparate a urcat pe treapta a doua a podiumului, atat la barna cat si la sol.

In 2004, la Amsterdam, a cucerit titlul european atat cu echipa, cat si la barna si sol.

In 2005, a cucerit titlul european la barna, iar la Campioantele Mondiale a obtinut bronzul la acelasi aparat.

In 2006, la Campionatele Europene de la Volos (Grecia), a urcat  din nou pe prima treapta a podiumului la barna, si a obtinut bronzul la sol.

La sfarsitul lui 2007, dupa ce a mai obtinut o medalie mondiala de bronz cu echipa, s-a retras din activitatea competitionala din cauza unor accidentari.

A revenit in sala de antrenamente in 2011, sub indrumarea antrenorilor Octavian Bellu si Mariana Bitang, la randul lor proaspat reveniti la lot, iar in 2012 a participat la Jocurile Olimpice de la Londra unde a obtinut medaliile de bronz cu echipa si argint la sol, devenind prima gimnasta din Romania care a urcat pe podiumul olimpic la 25 de ani fara cateva zile.

Dupa Londra 2012, s-a retras din nou din activitatea competitionala.

Si-a reluat antrenamentele pentru a doua oara la in februarie 2015, si a anuntat oficial revenirea la lotul national, in martie.

In 2016, a facut parte din echipa feminina de gimnastica a Romaniei care a participat la turneul de calificare la Jocurile Olimpice de la Rio de Janeiro si s-a clasat pe locul 7, ratand biletele pentru Rio. Potrivit regulamantului federatiei internationale de specialitate (FIG), forurile nationale ale tarilor  clasate pe locurile 5-8 si-au castigat dreptul de a delega o sportiva care sa concureze in competitia individuala la Rio.  Federatia Romana de Gimnastica a desemnat-o pe Catalina Ponor  sa reprezinte Romania in concursul olimpic de la Rio.

In 2017, la Campionatele Europene de la Cluj-Napoca, a devenit prima gimnasta pentru a cincea oara campioana continentala la barna.

In septembrie 2017, a fost decorata de presedintele Romaniei cu Ordinul Serviciul Credincios in Grad de Ofiter.