syntyi Breslaussa ja oli marttyyrikuoleman saaneen Teologin Dietrich Bonhoefferin vanhempi veli. Hänen isänsä oli neurologi Karl Bonhoeffer ja äitinsä Paula von Hase.
Bonhoeffer opiskeli vuodesta 1918 alkaen Tübingenissä ja Berliinissä ja valmistui filosofian tohtoriksi vuonna 1922 Berliinissä Walther Nernstin johdolla. Vuosina 1923-1930 hän oli Fritz Haberin assistenttina Kaiser Wilhelm Institute for Physical Chemistry and Elektrochemistry-instituutissa Berliinin Dahlemissa. Habilitaation jälkeen vuonna 1927 hänestä tuli Berliinin yliopiston täysi professori. Vuonna 1930 Bonhoeffer nimitettiin Frankfurtin yliopiston fysikaalisen kemian professoriksi. Neljä vuotta myöhemmin hänet nimitettiin Leipzigin yliopiston fysikaalisen kemian professoriksi. Hänestä tuli Berliinin yliopiston fysikaalisen kemian professori vuonna 1947
Bonhoeffer toimi myös Kaiser Wilhelm-instituutin fysikaalisen ja sähkökemian (nykyisin MPG: n Fritz Haber-instituutti) johtajana.
vuonna 1949 hänet nimitettiin Göttingenin fysikaalisen kemian Max Planck-instituutin johtajaksi. Instituutti uudistettiin kauan hänen kuolemansa jälkeen vuonna 1971 ja on nyt Max Planck Institute for Biofysical Chemistry, Göttingen, tunnetaan myös nimellä Karl-Friedrich Bonhoeffer Institute.In 1929 Bonhoeffer löysi yhdessä Paul Harteckin kanssa vedyn, ortohydrogeenin ja parahydrogeenin spin-isomeerit.
hän kuoli Göttingenissä 58-vuotiaana vuonna 1957.
