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.

În septembrie 2017, după ce s-a retrs definitiv din activitatea competițională, a fost decorată de presedintele Romaniei cu Ordinul Serviciul Credincios in Grad de Ofiter.

În 2022, a fost inclusă în International Gymnastics Hall of Fame (IGHOF), dar nu a putut participa la ceremonia oficială. A reușit să ajungă trei ani mai târziu, în 2025.

Cătălina Ponor a fost cea de-a 12-a personalitate inclusă în IGHOF. Prima a fost Nadia Comăneci, în 1993. Au urmat Bela Karolyi (1997), Ecaterina Szabo (2000), Teodora Ungureanu (2001), Daniela Silivaș (2002), Simona Amânar (2007), Octavian Bellu (2009), Lavinia Miloșovici (2011), Gina Gogean (2013), Aurelia Dobre (2016) și Andreea Răducan (2018).

Galerie foto