Narodil se v Breslau, byl starším bratrem umučeného teologa Dietricha Bonhoeffera. Jeho otcem byl neurolog Karl Bonhoeffer a jeho matkou byla Paula von Hase.
Bonhoeffer studoval od roku 1918 v Tübingenu a Berlíně, doktorát dokončil v roce 1922 v Berlíně u Walthera Nernsta. V letech 1923 až 1930 byl asistentem Fritze Habera v Kaiser Wilhelm Institute for Physical Chemistry and Elektrochemistry v Berlíně Dahlem. Po habilitaci v roce 1927 se stal řádným profesorem na univerzitě v Berlíně. V roce 1930 byl Bonhoeffer jmenován profesorem fyzikální chemie na univerzitě ve Frankfurtu. O čtyři roky později byl jmenován profesorem fyzikální chemie na univerzitě v Lipsku. V roce 1947 se stal profesorem fyzikální chemie na univerzitě v Berlíně
Bonhoeffer byl také ředitelem Kaiser Wilhelm Institute for physical and electrochemistry (nyní Fritz Haber Institute of MPG).
v roce 1949 byl jmenován ředitelem Institutu Maxe Plancka pro fyzikální chemii v Göttingenu. Ústav byl restrukturalizován dlouho po jeho smrti v roce 1971 A nyní je Max Planck Institute for biofyzikální chemie v Göttingen, také známý jako Karl-Friedrich Bonhoeffer Institute.In 1929 Bonhoeffer spolu s Paulem Harteckem objevil spinové izomery vodíku, ortohydrogenu a parahydrogenu.
zemřel v Göttingenu v roce 1957 ve věku 58 let.
