[8]​[2]​ Dennings creció en Penn Cottage, una casa histórica construida en 1694 en Wynnewood, Pensilvania, que según ella estaba hechizada.

[9]​ Comenzando su carrera a los 9 años actuando en comerciales, Kat dijo que su familia nunca tuvo mucho dinero para un entrenamiento formal de actuación.

[10]​ Su primer trabajo como actriz fue un anuncio de papas fritas que incluía un ingrediente venenoso y nunca llegó al mercado.

[10]​ Fue educada en el hogar; y solamente se matriculó en una escuela tradicional durante medio día, en la Friends' Central School.

[16]​ Dennings continuó trabajando en televisión, como estrella invitada en Without a Trace como una adolescente cuyo novio desaparece, y en Less than Perfect de 2003.

[19]​ En 2005, consiguió papeles secundarios como la hija del personaje de Catherine Keener en Virgen a los 40 y como April en Down in the Valley.

[12]​ En 2006, Dennings interpretó a una adolescente rebelde en la película de comedia policial Big Momma's House 2, protagonizada por Martin Lawrence.

[20]​ Dennings protagonizó Charlie Bartlett en 2008, la historia de un adolescente adinerado (Anton Yelchin) que actúa como psiquiatra en su nueva escuela secundaria pública.

[14]​ Dennings apareció en The House Bunny ese año, como Mona, una chica de hermandad feminista con piercings.

Los actores Sam Rockwell y Josh Hartnett estuvieron involucrados, pero el proyecto no recibió luz verde debido a su controvertido tema de la guerra nuclear.

[23]​ En 2009, Dennings apareció en The Answer Man, una historia sobre un autor famoso cuyos manifiestos se convierten en una especie de nueva Biblia.

[24]​ Interpretó a la hermana mayor adolescente del protagonista Toe (Jimmy Bennett), Stacey Thompson.

[27]​ Sin embargo, el proyecto dirigido por Richard Linklater fue cancelado debido a recortes en Miramax Films por parte de la empresa matriz del estudio, Disney.

[28]​ Dennings apareció en la película de superhéroes Defendor en 2009, protagonizada por Woody Harrelson y Sandra Oh, interpretando a una prostituta adicta al crack.

Robert Rodriguez dirigió el video, que fue filmado en varios lugares de dicha ciudad.

[38]​ Dennings protagonizó la película dramática To Write Love on Her Arms (originalmente titulada Renee) en 2012, con Chad Michael Murray y Rupert Friend.

[41]​ Apareció en un video musical para el sencillo de Hanson "Get the Girl Back", junto a Nikki Reed.