Katharina Landfester ist seit 2008 als eine der Direktoren des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung in der Max-Planck-Gesellschaft tätig. Sie studierte Chemie an der Technischen Universität in Darmstadt. Ihre Diplomarbeit fertigte sie an der Ecole d'Application des Hautes Polymères in Straßburg (Prof. M. Lambla) an. 1995 promovierte sie in Physikalischer Chemie an der Johannes Gutenberg-Universität in Mainz, nachdem sie am Max-Planck-Institut für Polymerforschung bei Prof. H. W. Spiess über die Synthese und Charakterisierung von Kern-Schale-Latices mittels Transmissionselektronenmikroskopie und Festkörper-NMR gearbeitet hatte.

Nach einem weiteren Jahr als Gruppenleiterin am Institut wechselte sie als Postdoktorandin an die Lehigh University (Prof. M. El-Aasser), wo sie erstmals mit der Miniemulsionstechnik in Berührung kam. 1998 kehrte sie nach Deutschland zurück und trat in die Gruppe von Prof. M. Antonietti am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Golm ein. Dort leitete sie die Miniemulsionsgruppe, die an neuen Möglichkeiten der Synthese komplexer Nanopartikel arbeitete. Im Jahr 2002 wurde sie an der Universität Potsdam für das Fach Physikalische Chemie habilitiert. Im Jahr 2003 nahm sie den Ruf auf den Lehrstuhl (C4) für Makromolekulare Chemie an der Universität Ulm an. Hier begann sie ihre Tätigkeit auf dem Gebiet der biomedizinischen Anwendungen in Zusammenarbeit mit verschiedenen medizinischen Gruppen, die sich mit der Wechselwirkung von Nanopartikeln mit verschiedenen Zellkompartimenten, der Markierung von Zellen und der Verabreichung von Substanzen an bestimmte Stellen befassen.
In den Jahren 1992 und 1994 erhielt sie DAAD-Stipendien für ihre Forschungstätigkeit in Straßburg. Für die Forschung in den USA erhielt sie 1996 ein DFG-Stipendium. Im Jahr 1998 erhielt sie das Liebig-Stipendium des Fonds der Chemischen Industrie (FCI). Im Jahr 2001 wurde sie mit dem Reimund Stadler-Preis der Gesellschaft Deutscher Chemiker (GdCh) sowie dem Preis der Dr. Hermann Schnell Stiftung ausgezeichnet.

Von 2002 bis 2007 war sie Mitglied der Jungen Akademie der Berlin-Brandenburgischen Akademie der Wissenschaften und Deutschen Naturforscher Leopoldina; 2003/2004 war sie Sprecherin der Jungen Akademie.