Neben ihrer Arbeit als Fotomodell wirkte sie in der beliebten italienischen Quizsendung Passaparola mit und ließ sich von 1999 bis 2000 zur Schauspielerin ausbilden. Ein Jahr später wurde Murino von einer Modelagentur unter Vertrag genommen und warb zwischen 1997 und 2002 unter anderem in Deutschland und Japan für Nescafé, in Italien für die Automarke Mercedes-Benz und weltweit für den Schweizer Uhrenhersteller Swatch sowie für das Kreditkartenunternehmen Mastercard. Erstmals auf sich aufmerksam machte Caterina Murino 1996 bei der Wahl zur Miss Italien, wo sie den vierten Platz belegte. 2008 verpflichtete Regisseur Pascal Bonitzer Caterina für seinen Mystery-Streifen "Le grand alibi" mit Miou-Miou, Lambert Wilson und Valeria Bruni-Tedeschi und für Alexandre Arcadys Actiondrama "Comme les 5 doigts de la main" (2010) stand sie mit Patrick Bruel vor der Kamera. Doch man war auf sie aufmerksam geworden, fortan arbeitete sie als Model und war unter anderem in internationalen Werbespots für Firmen wie Mastercard, Swatch, Mercedes Benz und Nescafe zu bewundern. Ihren internationalen Durchbruch feierte die Schauspielerin 2006 in der Rolle der "Solange Dimitrios" an der Seite von Daniel Craig. Im selben Monat wird die Schauspielerin 48 Jahre alt. Fast zwei Jahrzehnte nach ihrem kurzen, aber eindrücklichen Auftritt im James-Bond-Film "Casino Royale" macht Caterina Murino erneut Schlagzeilen – diesmal jedoch mit privaten Neuigkeiten. Es folgten größere Rollen, wie in der Komödie "Nicht dran denken" oder "Die Girls von St. Trinian". Erst durch ihre Rolle als Bond-Girl wurde sie über Nacht weltweit berühmt. Mit 22 Jahren begann sie dann eine Ausbildung zur Schauspielerin. Bond kann das Geld über einen Hinweis auf Vespers Mobiltelefon zu Mr. White am Comer See verfolgen. Währenddessen erfährt Bond, dass der Gewinn nie auf dem Konto des Schatzamtes eingegangen ist und stattdessen gerade in der örtlichen Bankfiliale abgehoben wird. Zu Le Chiffres Überraschung kehrt Bond an den Spieltisch zurück und gewinnt schließlich 115 Millionen Dollar mit einem Straight Flush in der letzten Hand. Vor dem Zusammenbruch kann er sich noch einen mobilen Defibrillator anlegen, dessen Auslöser Vesper in letzter Sekunde betätigt. Tödlich vergiftet schleppt sich Bond zu seinem Aston Martin und verabreicht sich ein Gegenmittel. An der Bar versetzt Le Chiffres Freundin Valenka Bonds Cocktail mit Fingerhut. So wurden an den jeweils äußeren Triebwerkspylonen Treibstofftankattrappen und an den inneren je eine Triebwerkspaarattrappe im Stil der General Electric GEnx montiert. Bonds Gegenspieler Mollaka wird dabei vom Freerunning-Erfinder Sébastien Foucan selbst gespielt. Der Film ist eine Gemeinschaftsproduktion von Metro-Goldwyn-Mayer, Columbia Pictures, Danjaq Productions, Stillking Films, Studio Babelsberg, Eon Productions und United Artists im Verleih der Sony Pictures Entertainment. Der Schweizer Schauspieler und Ex-Rapper Carlos Leal verkörpert den Chef de Partie des Casino Royale. Zudem ist Clemens Schick als Le Chiffres Handlanger Kratt zu sehen. Oscar-Preisträgerin Lindy Hemming gestaltete zum fünften und letzten Mal die Kostüme. Andere Rezensenten lobten Casino Royale als den besten Bond seit dem Weggang von Sean Connery. Besonderes Lob wurde Daniel Craig für seine Darstellung zuteil, laut Andreas Borcholte vom Spiegel schaffe Craig es, „jenes Virile, brutal Animalische zu verströmen, über das Sean Connery in seinen ersten Auftritten als Bond verfügte". Laut Metacritic fallen die Bewertungen im Mittel „Grundsätzlich Wohlwollend" aus. Aus diesem Grund griff auch das Videospiel zum Film die Geschehnisse von Casino Royale nochmal auf. Dieser kam als Ein Quantum Trost zwei Jahre danach in die Kinos und setzt die Handlung unmittelbar fort, anstatt – wie bisher in der Filmreihe üblich – eine eigenständige, neue Geschichte zu erzählen. Hier war sie als verheiratete Solange an der Seite des neuen Titelhelden Daniel Craig zu sehen, deren Liaison mit dem Geheimagenten auf den Bahamas ein unheilvolles Ende nimmt. Mit den folgenden Rollen in italienischen Film- und Fernsehproduktionen gelang es Murino nicht, sich in ihrem Heimatland als ernstzunehmende Schauspielerin zu etablieren. Im selben Jahr agierte sie unter der Regie Danilo Ghezzis in der italienischen Theaterproduktion von Agatha Christies Kriminalroman Zehn kleine Negerlein, der in Deutschland auch unter dem Titel Und dann gabs keines mehr bekannt ist. In einer Komparsenrolle tritt auch das deutsche 1960er-Jahre-Model Veruschka auf. Bereits kurz nach Veröffentlichung des Romans Casino Royale verkaufte Autor Ian Fleming die Verfilmungsrechte an den amerikanischen Fernsehsender CBS, der die Geschichte für eine 1954 veröffentlichte Episode der Serie Climax! Die beiden sind seit 2019 ein Paar und leben gemeinsam im malerischen Pariser Stadtteil Montmartre.