Geboren in Breslau, war er ein älterer Bruder des Theologen Dietrich Bonhoeffer. Sein Vater war der Neurologe Karl Bonhoeffer und seine Mutter war Paula von Hase.
Bonhoeffer studierte ab 1918 in Tübingen und Berlin und promovierte 1922 in Berlin bei Walther Nernst. Von 1923 bis 1930 war er Assistent von Fritz Haber am Kaiser-Wilhelm-Institut für Physikalische Chemie und Elektrochemie in Berlin-Dahlem. Nach der Habilitation 1927 wurde er ordentlicher Professor an der Universität Berlin. 1930 wurde Bonhoeffer Professor für Physikalische Chemie an der Universität Frankfurt. Vier Jahre später wurde er Professor für Physikalische Chemie an der Universität Leipzig. 1947 wurde er Professor für Physikalische Chemie an der Universität Berlin
Bonhoeffer war auch Direktor des Kaiser-Wilhelm-Instituts für Physikalische und Elektrochemie (heute Fritz-Haber-Institut der MPG).
1949 wurde er zum Direktor des Max-Planck-Instituts für Physikalische Chemie in Göttingen ernannt. Das Institut wurde lange nach seinem Tod 1971 umstrukturiert und ist heute das Max-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie in Göttingen, auch bekannt als Karl-Friedrich Bonhoeffer Institute.In 1929 Bonhoeffer entdeckte zusammen mit Paul Harteck die Spin-Isomere von Wasserstoff, Orthohydrogen und Parahydrogen.
Er starb 1957 im Alter von 58 Jahren in Göttingen.
