nascido em Breslau, era irmão mais velho do teólogo martirizado Dietrich Bonhoeffer. Seu pai era o neurologista Karl Bonhoeffer e sua mãe era Paula von hase.
Bonhoeffer estudou desde 1918 em Tübingen e Berlim, terminando seu doutorado em 1922 em Berlim com Walther Nernst. De 1923 a 1930 foi assistente de Fritz Haber no Kaiser Wilhelm Institute for Physical Chemistry and Elektrochemistry em Berlim Dahlem. Após a habilitação em 1927, tornou-se professor titular na Universidade de Berlim. Em 1930, Bonhoeffer foi nomeado professor de Físico-Química na Universidade de Frankfurt. Quatro anos depois, ele foi nomeado professor de Física Química na Universidade de Leipzig. Ele se tornou professor de Química Física na Universidade de Berlim em 1947 Bonhoeffer também foi diretor do Instituto Kaiser Wilhelm de física e eletroquímica (agora Instituto Fritz Haber do MPG).
em 1949, foi nomeado diretor do Instituto Max Planck de Físico-Química em Göttingen. O instituto foi reestruturado, muito tempo depois de sua morte, em 1971, e é agora o Instituto Max Planck de Biofísica Química em Göttingen, também conhecido como Karl-Friedrich Bonhoeffer Instituto.Em 1929 Bonhoeffer, juntamente com Paulo Harteck, descobriu o spin isómeros de hidrogênio, orthohydrogen e parahydrogen.
ele morreu em Göttingen em 1957 aos 58 anos.
