Nacido en Breslau, era hermano mayor del teólogo mártir Dietrich Bonhoeffer. Su padre era el neurólogo Karl Bonhoeffer y su madre Paula von Hase.
Bonhoeffer estudió desde 1918 en Tubinga y Berlín, terminando su doctorado en 1922 en Berlín con Walther Nernst. De 1923 a 1930 fue asistente de Fritz Haber en el Instituto Kaiser Wilhelm de Química Física y Electroquímica en Berlín Dahlem. Después de la Habilitación en 1927, se convirtió en profesor titular en la Universidad de Berlín. En 1930, Bonhoeffer fue nombrado profesor de Química Física en la Universidad de Frankfurt. Cuatro años más tarde, fue nombrado profesor de Química Física en la Universidad de Leipzig. Se convirtió en profesor de química física en la Universidad de Berlín en 1947
Bonhoeffer también fue director del Instituto Kaiser Wilhelm de física y electroquímica (ahora Instituto Fritz Haber del MPG).
En 1949, fue nombrado director del Instituto Max Planck de Química Física en Göttingen. El instituto fue reestructurado mucho después de su muerte en 1971 y ahora es el Instituto Max Planck de Química Biofísica en Gotinga, también conocido como Karl-Friedrich Bonhoeffer Institute.In 1929 Bonhoeffer, junto con Paul Harteck, descubrió los isómeros espín del hidrógeno, el ortohidrogeno y el parahidrogeno.
Murió en Göttingen en 1957 a la edad de 58 años.
