Народилася 2 березня 1939 року в Києві. У 1962 р. закінчила лікувальний факультет Київського медичного інституту ім. О. О. Богомольця. Під час навчання на старших курсах підробляла санітаркою на Київській станції швидкої допомоги. По закінченню інституту працювала в клініці доктора Миколая Амосова анестезіологом.
За спогадами колег, у юності Катерина Богомолець захоплювалася спортом, керувала моторним човном, на початку 1960-х років їздила вулицями Києва на моторолері ČZ (у певному сенсі її можна назвати першою відомою жінкою-байкером в Україні).
З 1963 по 1966 рр. — лікар-анестезіолог Київського науково-дослідного інституту туберкульозу та грудної хірургії ім. Ф. Яновського.
1966—1969 рр. — навчання в аспірантурі Київського науково-дослідного інститут ендокринології та обміну речовин. Кандидатську дисертацію захистила в 1970 році.
1969—1973 рр. — молодший науковий співробітник відділу морфології та гістохімії Київського науково-дослідного інститут ендокринології та обміну речовин.
- 1973—1979 рр. — асистент. Працювала під керівництвом професора Олександри Кисельової — учениці професора Євгена Чайки, котрий разом з Олександром Богомольцем і Миколою Стражеско вивчав властивості сполучної тканини людського організму.
1979—2001 рр. — доцент, з 2001 р. — професор.
Катерина Богомолець вела активну викладацьку діяльність як у медичному інституті, так і на щорічних Всеукраїнських курсах підвищення кваліфікації дитячих патологоанатомів. За спогадами її колишніх студентів, вона могла викладати складні матеріали простою і зрозумілою мовою. Окрім викладання теорії, Катерина Богомолець приділяла уваги формуванню у студентів практичних навичок з діагностування різних форм патології.
Була відома нетерпимістю до прохань високопоставлених батьків «звернути увагу» під час сесійних екзаменів на їхніх нащадків.
Могила Катерини Богомолець та Вадима Березовського, Байкове кладовище
В останні роки життя писала методичні рекомендації, розділи до підручників, консультувала лікарів. Багато часу приділяла вихованню онуків — Андрія, Катерини, Анни і Софії Богомольців.
Мати — Зоя В'ячеславівна Богомолець (Снєжкова) (1912—2000), науковий співробітник Інституту органічної хімії АН УРСР, ведуча науково-популярних радіопрограм.
Сестра — Олександра Олегівна Богомолець (нар. 1958) — дитячий реаніматолог вищої категорії, лікар обох Майданів, громадська діячка, з початку війни Росії проти України — військовий лікар-волонтер.
