Der britische Chemiker nutzt für seine Forschung die neuesten Entwicklungen in der Computertechnologie, um die Eigenschaften komplexer Materialien auf atomarer und molekularer Ebene zu modellieren und vorherzusagen. Bei seinen Experimenten setzt er auf die Röntgendiffraktometrie und verschiedene Methoden der Neutronenstreuung. Seine Arbeiten haben das Verständnis dafür erweitert, wie Defekte – fehlende oder zusätzliche Atome – in der Struktur von Festkörpern zu nicht-stöchiometrischen Verbindungen führen können. Solche Verbindungen haben besondere elektrische oder chemische Eigenschaften, da ihre beteiligten Elemente in etwas anderen Anteilen vorhanden sind, als es die chemische Formel vorhersagt. Im Bereich der Katalyse haben die Erkenntnisse Catlows dazu beigetragen, industrielle Katalysatoren zu verbessern – insbesondere im Hinblick auf dort genutzte mikroporöse Materialien und Metalloxide.
Catlow studierte Chemie an der Universität Oxford. 1976 begann er seine wissenschaftliche Karriere als Dozent am University College London. 1985 wechselte er als Professor an die Universität Keele sowie das Daresbury Laboratorium (alle Vereinigtes Königreich). 1989 nahm Catlow eine Professur an der Royal Institution in London an. Dort wurde er 1998 Direktor des Davy-Faraday-Forschungslabors, das er bis 2007 leitete. 2002 kehrte er an das University College London zurück, wo er erst als Leiter des Fachbereichs Chemie (2002 bis 2007) und später als Dekan der Fakultät für Mathematik und physikalische Wissenschaften (2007 bis 2014) wirkte. Seit 2015 forscht und lehrt Catlow neben dem University College London auch an der Universität Cardiff (Vereinigtes Königreich). 2004 wurde Catlow Fellow der Royal Society, 2020 Mitglied der Leopoldina. Als Foreign Secretary und Vice President ist Catlow bei der Royal Society seit 2016 dafür zuständig, die britische Wissenschaft weltweit zu vertreten.