Comienza su andadura profesional con 15 años y siempre lo compagina con los estudios. Entrada la década de 1990, actúa en dos obras de la compañía Strion, de Aitana Sánchez-Gijón, y con su hermano Fernando Guillén Cuervo: “Entre bobos anda el juego” (1991) y “Thriller imposible” (1992). Después pasa a las órdenes de Adolfo Marsillach en la Compañía Nacional de teatro clásico, en la que interpretó obras de Cervantes “La Gran Sultana” (1993) y Lope de Vega “Fuenteovejuna”, (1993)

En la segunda mitad de la década abandona los trabajos teatrales, coincidiendo con el estreno de sus mayores éxitos en la gran pantalla: participa en “Todo sobre mi madre”, de Pedro Almodóvar, “Más que amor, frenesí”, de Alfonso Albacete y sobre todo protagoniza dos de los más importantes títulos de la filmografía de José Luis Garci: “La herida luminosa” (1997), junto a su padre y “El abuelo” (1998), con Fernando Fernán Gómez al frente del reparto. Película que fue nominada al Oscar  a la mejor película extranjera y que a Cayetana Guillén le valió también una nominación al premio Goya a la mejor actriz protagonista y el premio del CEC.

En 1998 se estrena en su faceta de presentadora de televisión, labor que mantendría ininterrumpidamente, al menos los siguientes 15 años, siempre en la cadena La 2, de Televisión española. Compagina la profesión de actriz con la labor de comunicadora. Es licenciada en periodismo, carrera que compaginó con los estudios de arte dramático.

Trabajó durante 8 años al lado de Iñaki Gabilondo, al que considera su maestro, en el programa “Hoy por Hoy” de la cadena Ser y dirigió y condujo durante unos meses “A vivir que son 2 días”, también en la Ser. Además, tiene su propia productora.