Kathrin Stirnemann est issue d'une famille de cycliste. Son frère Matthias est également un coureur de VTT[1]. Son père Beat Stirnemann est l'entraîneur national de VTT suisse jusqu'aux Jeux olympiques de 2012 à Londres[2].
En 2007, elle est championne d'Europe et championne de Suisse de cross-country juniors (moins de 19 ans). Trois ans plus tard, elle est médaillée d'argent du championnat d'Europe espoirs (moins de 23 ans). À partir de 2014, elle se spécialise en cross-country eliminator, une nouvelle discipline où elle devient l'une des meilleures spécialistes grâce à sa puissance[2]. Elle est ainsi double championne du monde, triple championne d’Europe et lauréate du général de la Coupe du monde en 2014. Parallèlement, elle obtient la médaille d'argent du cross-country aux Jeux européens de Bakou.
En 2020, elle rejoint sur route l'équipe Bigla-Katusha, renommée Paule Ka, mais la formation s'arrête en raison de problèmes financiers. Elle obtient néanmoins ses premiers résultats sur route, en décrochant l'argent au championnat d'Europe du relais mixte contre-la-montre et la troisième place du championnat de Suisse du contre-la-montre. En octobre de la même année, elle met fin à sa carrière sportive à 31 ans après avoir disputé sa dernière course aux championnats d'Europe de VTT à domicile. Elle se reconvertit en tant qu’entraîneuse comme son père[2].
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