Nato a Breslavia, era un fratello maggiore del teologo martirizzato Dietrich Bonhoeffer. Suo padre era il neurologo Karl Bonhoeffer e sua madre era Paula von Hase.
Bonhoeffer ha studiato dal 1918 a Tubinga e Berlino, terminando il suo dottorato di ricerca nel 1922 a Berlino con Walther Nernst. Dal 1923 al 1930 fu assistente di Fritz Haber presso l’Istituto Kaiser Wilhelm per la Chimica fisica e l’Elektrochimica di Berlino Dahlem. Dopo l’Abilitazione nel 1927, divenne professore ordinario presso l’Università di Berlino. Nel 1930, Bonhoeffer è stato nominato professore di Chimica fisica presso l’Università di Francoforte. Quattro anni dopo, è stato nominato professore di Chimica fisica presso l’Università di Lipsia. Divenne professore di chimica fisica all’Università di Berlino nel 1947
Bonhoeffer fu anche direttore del Kaiser Wilhelm Institute for physical and electrochemistry (ora Fritz Haber Institute del MPG).
Nel 1949 fu nominato direttore dell’Istituto Max Planck di Chimica Fisica a Gottinga. L’istituto è stato ristrutturato molto tempo dopo la sua morte nel 1971 ed è ora l’Istituto Max Planck per la chimica biofisica di Gottinga, noto anche come Karl-Friedrich Bonhoeffer Institute.In 1929 Bonhoeffer, insieme a Paul Harteck, scoprì gli isomeri di spin dell’idrogeno, dell’ortoidrogeno e del paraidrogeno.
Morì a Gottinga nel 1957 all’età di 58 anni.
