凱瑟琳·約翰遜是四個(gè)小孩中的老幺。她從小顯現(xiàn)出在數(shù)學(xué)方面的才能，在14歲時(shí)完成中學(xué)課程。15歲時(shí)，進(jìn)入西弗吉尼亞州立大學(xué)就讀。她完成了學(xué)校中所有的數(shù)學(xué)課程，獲取數(shù)學(xué)與法文兩項(xiàng)學(xué)位，在1937年，18歲時(shí)，以最優(yōu)秀（summa cum laude）等級(jí)自學(xué)校畢業(yè)。畢業(yè)后，她移居維基尼亞州的馬里恩（Marion, Virginia），在一所高中擔(dān)任教師，教授數(shù)學(xué)、法文與音樂。

1938年，西弗吉尼亞大學(xué)設(shè)立研究所，她進(jìn)入就讀。當(dāng)時(shí)共有三名非洲裔美國人學(xué)生進(jìn)入就讀，她是當(dāng)中唯一的女性，因此成為首位在西弗吉尼亞州立大學(xué)就讀研究所的女性非洲裔美國人。1940年，她完成了數(shù)學(xué)課程的修習(xí)。在畢業(yè)后，她找到一份教師工作。在一次家族聚會(huì)中，其親戚提及美國國家航空咨詢委員會(huì)（NACA）中成立了新部門，正在征人。她投遞了履歷，獲得這份工作，在1953年，成為這個(gè)新部門的員工之一。

2016年上映的美國電影《隱藏人物》中，描述了她在NASA的工作，由泰拉姬·P·漢森演出她的角色。