Die in München geborene Mezzosopranistin absolvierte zuerst ein komplettes Oboenstudium bei Gernot Schmalfuß in Detmold, bevor sie dort bei Mechthild Böhme Gesang studierte. Sie arbeitete mit Vera Rozsa in London und mit Johanna Peine in Berlin.

Mehrere erfolgreiche Wettbewerbe führten sie nach Berlin, wo sie 1993 von Daniel Barenboim an die Staatsoper Unter den Linden engagiert wurde. Dort war sie in zahlreichen Produktionen zu hören, u. a. als Rosina in »Il barbiere di Siviglia«, als Cherubino in »Le nozze di Figaro«, als Annio in »La clemenza di Tito« unter Philippe Jordan, als Costanza in »L’isola disabitata« unter Alessandro de Marchi, als Meg Page in »Falstaff« unter Claudio Abbado, als Mélisande in »Pelléas et Mélisande« unter Michael Gielen, als Lola in »Cavalleria Rusticana« unter Antonio Pappano, als Warwara in »Katja Kabanova« unter Julien Salemkour, als Octavian in »Der Rosenkavalier« unter Philippe Jordan und als Komponist in »Ariadne auf Naxos« unter Fabio Luisi.

Unter Daniel Barenboim sang sie u. a. in den Neuproduktionen von »Die Meistersinger von Nürnberg« die Magdalene, im »Ring des Nibelungen« die Wellgunde (jeweils in der Regie von Harry Kupfer), die Zerlina in »Don Giovanni« und die Dorabella in »Così fan tutte« (Regie: Doris Dörrie).

Bei den Salzburger Festspielen debütierte sie 1995 in »Lulu« unter Michael Gielen. 2002 sang sie dort in Mozarts »Requiem« unter Kent Nagano und unter Bertrand de Billy die 2. Dame in der »Zauberflöte«. Bei den Münchner Opernfestspielen war sie als Octavian unter Peter Schneider zu hören, dort sang sie in einer Neuproduktion auch die Magdalene in »Die Meistersinger von Nürnberg« unter Zubin Mehta.

An der Staatsoper Unter den Linden sang sie 2008/09 u. a. die Larina in »Eugen Onegin«, Dorabella in »Così fan tutte« und Rosina in »Il barbiere di Siviglia«. Sie gab einen erfolgreichen Liederabend, sang Cherubino in »Le nozze di Figaro« mit Ivan Fischer in Budapest und an der Oper in Las Palmas de Gran Canaria, zudem sang sie Haydns »Nelson-Messe« unter Marek Janowski in Berlin und Bachs »Matthäuspassion« unter Enoch zu Guttenberg in München.

Neben ihrer Operntätigkeit ist Katharina Kammerloher auch eine gefragte Konzertsängerin. Sie sang u. a. Bach-Kantaten mit René Jacobs und der Akademie für Alte Musik Berlin, Bachs »Messe in h-Moll« mit den Berliner Philharmonikern unter Sir Roger Norrington, Mendelssohns »Elias« mit dem London Symphony Orchestra unter Wolfgang Sawallisch, die Anita in Bernsteins »West Side Story« mit dem Deutschen Symphonie-Orchester Berlin unter Kent Nagano und Berlioz’ »Roméo et Juliette« unter Fabio Luisi mit der Staatskapelle Berlin. Bei den BBC Proms und dem Edinburgh Festival war sie mit dem London Symphony Orchestra unter Pierre Boulez mit dessen »Le visage nuptial« zu hören. Ebenfalls mit Boulez sang sie Schönbergs Orchesterlieder op. 22 auf mehreren Festivals u. a. in München, Wien und Frankfurt. Unter Daniel Barenboim sang sie u. a. in Beethovens »9. Sinfonie« sowie Wolfgang Rihms Orchesterlieder nach Gedichten von Heiner Müller, Ravels Liederzyklus »Shéhérazade«, jeweils mit der Staatskapelle Berlin, Mozarts »Krönungsmesse« mit den Berliner Philharmonikern, Bruckners »Messe in f-Moll« und Gija Kantschelis »Lamento« mit Gidon Kremer und dem Chicago Symphony Orchestra. Zur Wiedereröffnung der Dresdner Frauenkirche sang sie unter der Leitung von Fabio Luisi in einer Aufführung von Mendelssohns »Elias« mit dem MDR-Sinfonieorchester.

Zahlreiche Rundfunk- und Plattenaufnahmen dokumentieren ihre künstlerische Tätigkeit. So spielte sie u. a. Bach-Kantaten mit René Jacobs ein, Joseph Haydns »L’isola disabitata« unter Alessandro de Marchi, Pietro Francesco Cavallis »La Didone« (Anna) unter Thomas Hengelbrock und Beethovens »Chorfantasie« mit den Berliner Philharmonikern unter Daniel Barenboim. Auf DVD erschienen Verdis »Otello« (Emilia) sowie Mozarts »Così fan tutte« (Dorabella), jeweils mit der Staatskapelle Berlin unter Daniel Barenboim.