Sie besuchte in ihrer Geburtsstadt das Lyzeum. An den Universitäten Breslau und München studierte Heinroth Zoologie, Botanik, Geographie und Geologie und promovierte 1924. 1928 kam sie nach Berlin, nahm eine wissenschaftliche Tätigkeit auf und lernte den Direktor des Berliner Aquariums, Oskar Heinroth, kennen, den sie heiratete. Im August 1945 berief man Katharina Heinroth zur Direktorin des Zoologischen Gartens. Unter ihrer Leitung erfolgte der Wiederaufbau des Zoos nach dem Krieg. 1953 erhielt sie einen Lehrauftrag für Allgemeine Zoologie an der Technischen Universität Berlin. Im Jahre 1949 wurde sie Ehrenmitglied des Berliner Tierschutzvereins. Später war sie auch Mitglied der Internationalen Union der Direktoren der Zoologischen Gärten. 1956 wurde sie pensioniert. 1987 erhielt sie den Verdienstorden des Landes Berlin. Ihr Grab befindet sich wie das ihres Ehemanns auf dem Gelände des Zoologischen Gartens.