født i Breslau, han var en ældre bror til martyrteologen Dietrich Bonhoeffer. Hans far var neurolog Karl Bonhoeffer og hans mor var Paula von Hase.
Bonhoeffer studerede fra 1918 i T. Fra 1923 til 1930 var han assistent hos Haber ved Kaiser Vilhelm Institut for Fysisk Kemi og elektrokemi i Berlin Dahlem. Efter Habiliteringen i 1927 blev han fuld professor ved Universitetet i Berlin. I 1930 blev Bonhoeffer udnævnt til professor i fysisk kemi ved Universitetet i Frankfurt. Fire år senere blev han udnævnt til professor i fysisk kemi ved Leipsigs Universitet. Han blev professor i fysisk kemi ved Universitetet i Berlin i 1947
Bonhoeffer var også direktør for Kaiser Vilhelm Institut for fysisk og elektrokemi.
i 1949 blev han udnævnt til direktør for maks. Instituttet blev omstruktureret længe efter hans død i 1971 og er nu det maks Planck Institut for biofysisk kemi i G. K., Også kendt som Karl-Friedrich Bonhoeffer Institute.In 1929 Bonhoeffer, sammen med Paul Harteck, opdagede spin-isomerer af hydrogen, orthohydrogen og parahydrogen.
han døde i G Krettingen i 1957 i en alder af 58 år.
