Diplômée de l’École Nationale de la Statistique et de l’Administration Économique (ENSAE), elle rejoint en 1987 la Direction Commerciale du groupe Gaz de France et occupe divers postes dans le domaine des études tarifaires avant d’intégrer la Direction Production Transport, Région Île-de-France, comme Chef du Service Commercial.  
 
Au sein de la Direction Négoce de Gaz de France, Catherine Brun met en place puis occupe la fonction de Directrice Marketing sur le segment des Grands Comptes européens, en 1999. 
 En 2007, elle devient Directrice des Systèmes d’Information de la Branche Global Gaz & GNL, puis en 2012  Directrice des Systèmes d’Information de la filiale Exploration Production International de GDF SUEZ.  
 
Catherine Brun rejoint GRTgaz comme Directrice Commerciale en 2014, puis Secrétaire Générale en Juillet 2018, membre du Comité Exécutif en charge de la stratégie, des affaires publiques et de la RSE. Elle assure également la vice-présidence de PRISMA, plateforme européenne gazière de gestion de capacité.