Der internationale Durchbruch gelang Katja Ebstein 1970 durch ihre Teilnahme am Eurovision Song Contest, als sie mit dem Song "Wunder gibt es immer wieder" den dritten Platz erreichte. Während ihrer Karriere erhielt sie verschiedene Musikpreise in unterschiedlichen Ländern. Katja Ebstein vertonte Gedichte von Heinrich Heine und coverte bekannte Musicalmelodien. 1976 ließ sich die Sängerin von Christian Bruhn scheiden.
Durch ihre Hochzeit mit dem Regisseur und Autor Klaus Überall 1979 entdeckte Ebstein ihr schauspielerisches Talent. Sie spielte in verschiedenen Theaterstücken und Musicalproduktionen mit und übernahm Rollen in Fernsehserien der ARD. Ab 1990 wechselte Katja Ebstein verstärkt das Genre und beschäftigte sich mit Literatur, darunter Heine, Brecht und Droste-Hülshoff. In den 2000ern war sie immer wieder im Fernsehen zu sehen und ging mit weiteren Bühnenprogrammen auf Tour. 2011 feierte sie ein Comeback mit der Cover-Version ihres Hits "Wunder gibt es immer wieder".
Katja Ebstein ist jedoch auch für ihr soziales und politisches Engagement bekannt. Sie setzt sich vor allem gegen Kinderarmut ein und gründete dazu den Verein "Aktion Umwelt für Kinder und umweltgeschädigte Jugendliche". Seit 1992 ermöglicht Katja Ebstein dadurch Kindern aus finanziell schwachen Familien Aufenthalte auf der nordfriesischen Insel Amrum. 2004 entstand die "Katja-Ebstein-Stiftung", die unterschiedliche Initiativen gegen Kinderarmut miteinander vernetzt.