hij was een oudere broer van de theoloog Dietrich Bonhoeffer. Zijn vader was neuroloog Karl Bonhoeffer en zijn moeder was Paula von Hase. Bonhoeffer studeerde vanaf 1918 in Tübingen en Berlijn en voltooide zijn doctoraat in 1922 in Berlijn bij Walther Nernst. Van 1923 tot 1930 was hij assistent bij Fritz Haber aan het Kaiser Wilhelm Instituut voor Fysische Chemie en elektrochemie in Berlijn Dahlem. Na de habilitatie in 1927 werd hij hoogleraar aan de Universiteit van Berlijn. In 1930 werd Bonhoeffer benoemd tot hoogleraar Fysische Chemie aan de Universiteit van Frankfurt. Vier jaar later werd hij benoemd tot hoogleraar Fysische Chemie aan de Universiteit van Leipzig. Hij werd hoogleraar fysische chemie aan de Universiteit van Berlijn in 1947
Bonhoeffer was ook directeur van het Kaiser Wilhelm Instituut voor fysische en elektrochemie (nu het Fritz Haber Instituut van de MPG).In 1949 werd hij benoemd tot directeur van het Max Planck Instituut voor Fysische Chemie in Göttingen. Het instituut werd geherstructureerd lang na zijn dood in 1971 en is nu het Max Planck Instituut voor biofysische Chemie in Göttingen, ook bekend als de Karl-Friedrich Bonhoeffer Institute.In 1929 Bonhoeffer ontdekte samen met Paul Harteck de spin-isomeren van waterstof, orthohydrogeen en parahydrogeen.Hij overleed in 1957 op 58-jarige leeftijd in Göttingen.
