Народилася 8 серпня 1986 року, Кривий Ріг. Катерина — молодша із трьох доньок Володимира та Наталії Бондаренко; її сестер звуть Валерія та Олена. Батьки поступово привели всіх трьох до тенісу, а Катерина вперше взяла ракетку до рук в чотири роки.
Професійну кар'єру Катерина розпочала у 2000 році. У грудні 2002 року вона виграла перший титул на турнірах циклу ITF. У лютому 2003 року Бондаренко пройшла кваліфікаційний відбір на турнір у Боготі та таким чином дебютувала у WTA-турі. У першому матчі на такому рівні вона програла Каталіні Кастані.
2004 року 17-річна українка виграла юніорські змагання Вімблдонського турніру та стала лідером юніорського тенісу. У лютому 2005 року їй вдалося вийти до чвертьфіналу турніру у Мемфісі. У квітні того ж року вона зіграла перші матчі за збірну України у відбірному раунді Кубка Федерації.
Дебют на дорослому турнірі серії Великого шолома відбувся для Бондаренко у червні 2005 року, коли вона пройшла три раунди кваліфікації для участі в турнірі Вімблдону. У першому раунді вона зустрілася з досвідченою іспанською тенісисткою Кончітою Мартінес і програла їй у двох сетах. У жовтні Катерина змогла зіграти до 1/4 фіналу в Ташкенті.
Влітку 2006 року Бондаренко зіграла на турнірі Вімблдону, де вийшла в другий раунд. У жовтні того ж року вона другий сезон поспіль вийшла до чвертьфіналу турніру у Ташкенті. У грудні Катерина змогла виграти титул на 75-тисячнику ITF у Дубаї. У лютому 2007 року, розпочавши з кваліфікації, Бондаренко змогла пройти до 1/4 фіналу на турнірі в Досі. Це дозволило Катерині увійти до першої сотні світового рейтингу. У травні на Відкритому чемпіонаті Франції вона програла у другому раунді швейцарській спортсменці Патті Шнідер. На Вімблдоні вона вибула в першому раунді, поступившись росіянці Дінарі Сафіної. На Відкритому чемпіонаті США Бондаренко знову програла Сафіній, але вже у матчі другого раунду. На початку жовтня Катерина непогано зіграла на турнірі у Штутгарті, який вона розпочала з кваліфікації. У матчі другого раунду вона обіграє №5 у світі на той момент Ану Іванович і вийшла до 1/4 фіналу. За підсумками сезону вона посіла 44 місце.
2008-12 Перемога в Австралії
На початку 2008 року Катерина спільно зі своєю сестрою Альоною змогла зробити сюрприз і виграти парний Великий шолом на Відкритому чемпіонаті Австралії.
Після цього успіху сестри Бондаренко стали переможницями парних змагань у Парижі. Там же, але в одиночному розряді Катерина змогла вийти до чвертьфіналу. На Відкритому чемпіонаті Франції 2008 року вона програла у першому раунді Дінарі Сафіної, а у парному розіграші Олена та Катерина Бондаренко змогли вийти у півфінал. У червні Катерина змогла виграти свій перший і поки що єдиний індивідуальний титул на змаганнях WTA.
На турнірі Вімблдону Бондаренко програє на стадії другого раунду Світлані Кузнєцової. У серпні Катерина взяла участь у перших для себе Олімпійських іграх, що проходили у Пекіні. У поодиноких змаганнях вона програла вже на старті росіянці Олені Дементьєвій, котра за підсумком стала Олімпійською чемпіонкою. У парному розряді сестри Бондаренко зупинилися за крок від медалей Олімпіади. Вони змогли вийти у півфінал, де програли ще одним сестрам Вінус та Серене Вільямс, а у боротьбі за бронзову медаль поступилися китаянкам Чжен Цзе та Янь Цзи. На Відкритому чемпіонаті США Катерина вже в першому раунді воювала з Сереною Вільямс і програла їй. За підсумками сезону вона посіла 63 місце в одиночному і 10 в парному рейтингах.
На початку січня 2009 року сестри Бондаренко вийшли до парного фіналу на турнірі у Хобарті. На Відкритому чемпіонаті Австралії Катерина змогла у першому раунді обіграти представницю Топ-10 Агнешку Радваньську та загалом уперше дістатися до третього раунду. На Відкритому чемпіонаті Франції вона також пройшла до третього раунду, де Радваньська змогла взяти реванш у української тенісистки. На Вімблдоні вона у другому раунді поступилася Вінус Вільямс. У липні сестри Бондаренко зіграли парний фінал на турнірі у Будапешті, а на турнірі у Празі вибороли титул. Там само поодинці Катерина змогла вийти до чвертьфіналу. У серпні на турнірі у Торонто Бондаренко змогла виграти третю ракетку світу Вінус Вільямс у матчі другого раунду. На Відкритому чемпіонаті США Катерина змогла вперше вийти до чвертьфіналу Великого шолома. У перших раундах вона обіграла Ану Іванович, Шенай Перрі, Анастасію Родіонову та Хісел Дулко. У боротьбі за вихід у півфінал Бондаренко програє Яніні Вікмаєр. Наприкінці вересня українській тенісистці вдалося обіграти №4 у світі Олену Дементьєву на турнірі в Токіо. За підсумками сезону 2009 року Бондаренко посіла найвище у кар'єрі - 29-е місце в одиночній класифікації.
Австралійський чемпіонат 2010 року завершився для Бондаренка у другому раунді. Також вона виступила у травні на Ролан Гаррос, а на Вімблдоні вибула вже на старті. На Відкритому чемпіонаті США Катерина зуміла у першому раунді грати № 9 у світі Лі На, а вже наступного раунду сама програла Домініці Цибулковій. Неоднозначні виступи в сезоні позначилися на рейтингу українки, і вона вибула з першої сотні. На початку 2011 року Катерина вийшла до чвертьфіналу на турнірі в Окленді. Потім на турнірі в Хобарті вона вийшла у парний фінал у дуеті з Лігою Декмейєрі. На Відкритих чемпіонатах Австралії та Франції 2011 року вона вибуває у першому раунді. На Вімблдоні Катерині вдалося вийти в третій раунд. У липні Бондаренко двічі вийшла до чвертьфіналу на турнірах у Будапешті та Баку, а також до одного півфіналу на турнірі у Бадгастайні. Відкритий чемпіонат США закінчився для неї на стадії другого раунду.
На Відкритому чемпіонаті Австралії 2012 року Бондаренко вибуває у першому раунді. Також вона виступила і на Ролан Гаррос, а на Вімблдоні пройшла трохи далі – у другий раунд. На Олімпійських іграх у Лондоні Бондаренко у першому раунді програла шостій ракетці світу Петрі Квітовій. У першому раунді закінчується для неї і відкритий чемпіонат США. Після цього Катерина взяла паузи у виступи у зв'язку з народженням доньки та знову вийшла на корт у квітні 2014 року.
2014-17 Повернення на корт
Після повернення на корт Бондаренко набирала ігрову форму на турнірах циклу ITF і в жовтні 2014 року вона змогла виграти один 25-тисячник та один 50-тисячник. На початку травня 2015 року вона змогла вийти у парний фінал турніру у Празі в альянсі з Євою Грдіновою. У липні, перемігши у кваліфікаційному відборі, Бондаренко пройшла до чвертьфіналу на турнірі у Стамбулі та змогла обіграти у першому раунді першого номера посіву Вінус Вільямс. У серпні вона відбулася на Відкритий чемпіонат США і вперше після повернення виступила в основній сітці Великого шолома. У першому раунді Катерина переграла Юлію Путінцеву, а наступного програла другій ракетці світу Сімоне Халеп. Після турніру Бондаренко змогла повернутися до Топ-100 світового рейтингу. У вересні вона зіграла до 1/4 фіналу в Токіо.
На Відкритому чемпіонаті Австралії 2016 року Бондаренко перемогла Айлу Томлянович та Світлану Кузнєцову. У третьому раунді вона програла швейцарській тенісистці Белінді Бенчіч. У березні на турнірі серії Premier Mandatory в Індіан-Уеллсі з огляду на кваліфікацію Катерина змогла виграти п'ять матчів поспіль, дійшовши до четвертого раунду, де її зупиняє № 1 у світі Серена Вільямс. На Відкритому чемпіонаті Франції він переміг у першому раунді сьому ракетку світу Роберту Вінчі, але далі не впоралася з німкенею Анікою Бек. На Вімблдоні українка програє вже на старті турніру, а на Відкритому чемпіонаті США пробралася до третього раунду. Влітку вона змогла зіграти в одному парному фіналі у дуеті з Чжуан Цзяжун на турнірі у Нью-Хейвені.
На Відкритому чемпіонаті Австралії 2017 Бондаренко вибуває після матчу першого раунду.
Заміжня. У 2013 році Катерина народила дочку.
Нагороджена Орденом «За заслуги» ІІІ ступеня (2008).
23.06.2017