född i Breslau, var han en äldre bror till Martyr teolog Dietrich Bonhoeffer. Hans far var neurolog Karl Bonhoeffer och hans mor var Paula von Hase.
Bonhoeffer studerade från 1918 i T Jacobingen och Berlin och avslutade sin doktorsexamen 1922 i Berlin med Walther Nernst. Från 1923 till 1930 var han assistent för Fritz Haber vid Kaiser Wilhelm Institute for Physical Chemistry and Elektrochemistry i Berlin Dahlem. Efter habiliteringen 1927 blev han professor vid universitetet i Berlin. 1930 utnämndes Bonhoeffer till professor i fysisk kemi vid universitetet i Frankfurt. Fyra år senare utsågs han till professor i fysisk kemi vid universitetet i Leipzig. Han blev professor i fysikalisk kemi vid universitetet i Berlin 1947
Bonhoeffer var också chef för Kaiser Wilhelm Institute for physical and electrochemistry (nu Fritz Haber Institute of MPG).
år 1949 utsågs han till chef för Max Planck Institute for Physical Chemistry i G. Institutet omstrukturerades långt efter hans död 1971 och är nu Max Planck-Institutet för biofysikalisk kemi i G utom, även känd som Karl-Friedrich Bonhoeffer Institute.In 1929 upptäckte Bonhoeffer tillsammans med Paul harteck spinisomererna av väte, ortohydrogen och parahydrogen.
han dog i G. A. I. A. 1957 vid 58 års ålder.
