urodził się we Wrocławiu, był starszym bratem męczennika teologa Dietricha Bonhoeffera. Jego ojcem był neurolog Karl Bonhoeffer, a matką Paula von Hase.
Bonhoeffer studiował od 1918 roku w Tybindze i Berlinie, kończąc Doktorat w 1922 roku w Berlinie u Walthera Nernsta. W latach 1923-1930 był asystentem Fritza Habera w Instytucie Chemii Fizycznej i elektrochemii im. Cesarza Wilhelma w Berlinie Dahlem. Po habilitacji w 1927 został profesorem zwyczajnym na Uniwersytecie w Berlinie. W 1930 Bonhoeffer został mianowany profesorem chemii fizycznej na Uniwersytecie we Frankfurcie. Cztery lata później został mianowany profesorem chemii fizycznej na Uniwersytecie w Lipsku. W 1947 został profesorem chemii fizycznej na Uniwersytecie w Berlinie
Bonhoeffer był również dyrektorem Kaiser Wilhelm Institute for physical and electrochemistry (obecnie Instytut Fritza Habera MPG).
w 1949 został mianowany dyrektorem Instytutu Chemii Fizycznej im. Maxa Plancka w Getyndze. Instytut został zrestrukturyzowany długo po jego śmierci w 1971 roku i obecnie jest Max Planck Institute for Biophysical Chemistry w Getyndze, znany również jako Karl-Friedrich Bonhoeffer Institute.In 1929 Bonhoeffer wraz z Paulem Harteckiem odkrył izomery spinu wodoru, ortowodoru i parahydrogenu.
zmarł w Getyndze w 1957 roku w wieku 58 lat.
