Breslauban született, Dietrich Bonhoeffer vértanú teológus idősebb testvére volt. Apja Karl Bonhoeffer neurológus, anyja Paula von Hase volt.
Bonhoeffer 1918-tól tanult a T-ben és Berlinben, majd 1922-ben doktorált Berlinben Walther Nernstnél. 1923 – tól 1930-ig Fritz Haber asszisztense volt a Kaiser Wilhelm fizikai kémiai és elektrokémiai Intézetben Berlin Dahlemben. Az 1927-es habilitáció után a Berlini Egyetem rendes professzora lett. 1930-ban Bonhoeffert a fizikai kémia professzorává nevezték ki a Frankfurti Egyetem. Négy évvel később a Lipcsei Egyetem Fizikai Kémia professzorává nevezték ki. 1947-ben a Berlini Egyetem Fizikai kémia professzora lett
Bonhoeffer a Kaiser Wilhelm fizikai és elektrokémiai Intézet (ma az MPG Fritz Haber Intézete) igazgatója is volt.
1949-ben kinevezték a Max Planck Fizikai Kémiai Intézet igazgatójává G-ben. Az intézetet 1971-ben bekövetkezett halála után jóval átalakították, ma pedig a Max Planck Biofizikai Kémiai Intézet G-ben, a Karl-Friedrich Bonhoeffer néven is ismert Institute.In 1929-ben Bonhoeffer Paul Harteckkel együtt felfedezte a hidrogén, ortohidrogén és parahidrogén spin izomerjeit.
1957-ben hunyt el, 58 éves korában.
