născut la Breslau, a fost fratele mai mare al teologului martirizat Dietrich Bonhoeffer. Tatăl său a fost neurologul Karl Bonhoeffer, iar mama sa a fost Paula von Hase.
Bonhoeffer a studiat din 1918 la T-X-Bingen și Berlin, terminându-și doctoratul în 1922 la Berlin cu Walther Nernst. Din 1923 până în 1930 a fost asistent cu Fritz Haber la Institutul Kaiser Wilhelm pentru Chimie Fizică și Elektrochimie din Berlin Dahlem. După abilitarea din 1927, a devenit profesor titular la Universitatea din Berlin. În 1930, Bonhoeffer a fost numit profesor de Chimie Fizică la Universitatea din Frankfurt. Patru ani mai târziu, a fost numit profesor de Chimie Fizică la Universitatea din Leipzig. A devenit profesor de chimie fizică la Universitatea din Berlin în 1947
Bonhoeffer a fost, de asemenea, director al Institutului Kaiser Wilhelm pentru Fizică și electrochimie (acum Institutul Fritz Haber al MPG).
în 1949, a fost numit director al Institutului Max Planck pentru Chimie Fizică din G. Institutul a fost restructurat la mult timp după moartea sa în 1971 și este acum Institutul Max Planck pentru Chimie Biofizică din G. T. T., cunoscut și sub numele de Karl-Friedrich Bonhoeffer Institute.In 1929 Bonhoeffer, împreună cu Paul Harteck, au descoperit izomerii de spin ai hidrogenului, ortohidrogenului și parahidrogenului.
a murit în 1957 la vârsta de 58 de ani.
