26 Ağustos 1918'de Batı Virginia eyaletinin White Sulphur Springs kasabasında dünyaya geldi. Amerika Birleşik Devletleri’nde ırksal ayrımcılığın yaygın olduğu bir dönemde, bilimsel başarılarıyla öne çıkan az sayıdaki Afrika kökenli Amerikalı kadınlardan biri olarak dikkat çekti.

Babası çiftlik işlerinde çalışıyor, annesi öğretmenlik yapıyordu. Ailesi eğitime büyük önem veriyordu. Matematikteki yeteneği erken yaşta fark edildi. Henüz 14 yaşında liseden mezun oldu. 1937 yılında West Virginia State College’dan Matematik ve Fransızca alanlarında yüksek onur derecesiyle mezun oldu. 1939 yılında Batı Virginia Üniversitesi'nde yüksek lisansa kabul edilen ilk siyahi kadınlardan biri oldu.

1953 yılında Amerika Birleşik Devletleri'nin havacılık araştırmaları kurumu olan NACA (National Advisory Committee for Aeronautics)'da çalışmaya başladı. Karmaşık hesaplamaları manuel olarak gerçekleştiren “insan bilgisayarlar”dan biri olarak görev yaptı. 1958'de NACA’nın yerini alan NASA’da kariyerine devam etti.

Yörünge mekaniği konusundaki uzmanlığıyla dikkat çekti. Project Mercury kapsamında John Glenn’in 1962 yılında Dünya yörüngesine oturtulmasında kilit rol oynadı. Glenn, uçuş öncesi bilgisayar hesaplamalarının Katherine Johnson tarafından manuel olarak doğrulanmasını özellikle talep etti.

Ayrıca Apollo 11 görevinde Ay’a iniş yörüngelerinin hesaplanması ve uzay mekiği programı gibi projelerde de sorumluluk aldı. 1970 yılında Apollo 13 görevinde yaşanan arıza sonrası dönüş yörüngesinin hesaplanmasında danışılan isimlerden biri oldu.

NASA’da çalıştığı dönemde, hem kadın olması hem de Afrika kökenli Amerikalı kimliği sebebiyle birçok ayrımcı uygulamayla karşılaştı. Ancak teknik yeterliliği ve hatasız hesaplamaları sayesinde mühendislik ekipleri içinde güven kazandı. Kariyeri boyunca kadınların ve azınlık grupların bilimsel alanlarda ilerlemesine örnek oldu.

1986 yılında NASA’dan emekli oldu. Emekliliğinden sonra bilim, teknoloji, mühendislik ve matematik (STEM) alanlarında kadın ve azınlık temsilini artırmaya yönelik çalışmalara ilham kaynağı oldu.

2015 yılında Amerika Birleşik Devletleri Başkanı Barack Obama tarafından Presidential Medal of Freedom ile ödüllendirildi. 2016 yılında Margot Lee Shetterly tarafından yazılan Hidden Figures adlı kitap ve aynı adla yayımlanan filmle birlikte geniş kitlelerce tanındı.

NASA, onun onuruna 2017 yılında bir bina kompleksine “Katherine G. Johnson Hesaplama Araştırma Tesisi” adını verdi. 24 Şubat 2020’de 101 yaşında hayatını kaybetti. Ardında yalnızca uzay araştırmalarına katkı değil, eşitlik ve fırsat eşitliği konusunda da kalıcı bir miras bıraktı.